你的汽车USB还没有用Type-C供电?

作为一种相对较新的高功率USB外设标准，USB Type-C标准推动了USB供电规范的改变，不同于长期存在的5 V USB标准，Type-C标准的总线电压最高可达20 V，电流输送能力最高可达5 A。连接的USB-C设备可以相互识别并协商总线电压——从默认5 V USB输出到几个更高的预设电压等级，以便在需要时实现更快的电池充电和更高的功率输送，包括电源传输、集成客户端通道、需要CCPIN用于检测设备何时连接或未连接、主机或设备的当前功能等，还有是否存在有源线缆或者选择需要的模式，都需要在此应用中体现。包括ADI在内的很多半导体厂商都已开始研究将USB Type-C在汽车领域实现USB-PD快充功能。

车用USB接口的电源系统设计挑战

一般来说，汽车铅酸电池的电压范围为9V-36V，而USB Type-C的输出需要支持5V-20V输出电压范围，如果是可编程电源（PPS）输出，输出电压甚至要覆盖3.3V-21V的宽输出电压范围，不同于传统的汽车电池或其他充电电源的降压式功率转换，把汽车电池的供电电压转换为USB PD输出，还需要一个可调Buck-Boost转换器，以便能够同时实现升压和降压功率转换。

此外，对于高功率汽车USB充电器，降压-升压转换器应支持10 A或更高峰值开关电流额定值，并提供低EMI性能。将开关频率设置在AM无线电频带之外并使解决方案保持小尺寸的能力是颇受追捧的特性。高压单片转换器（带片上开关）不能承受如此高的峰值开关电流而不烧毁。

ADI LT8390A是一款独特的2 MHz同步四开关降压-升压控制器。在2 MHz开关频率时，它可提供5 V至15 V的输出电压（3 A时最高45 W），以通过汽车电池为USB-C设备供电。如此高的控制器开关频率使得解决方案尺寸很小，带宽很高，并且AM无线电频带之外的EMI很低。扩频调频和低EMI电流检测架构均有助于LT8390A应用通过CISPR 25 Class 5级EMI标准的严格考验。

高功率密度转换，尺寸与效率二者兼顾

在汽车或便携式电子设备环境中工作的电压调节器系统的设计，受到电路的空间需求以及工作时产生的热量的限制。在给定设计约束条件下工作时，以上两个因素决定了可实现功率水平的上限。提高设计的开关频率允许使用较小的电感，而这常常是宽输入电压四开关降压-升压稳压器设计中尺寸最大的元件。与150 kHz或400 kHz设计相比，LT8390A的2 MHz开关频率能力支持使用尺寸小得多的电感。图1显示了一个完整设计。除了较小的电感外，该解决方案仅使用陶瓷型输出电容，无需使用体积较大的电解电容。该设计所需的全部元器件（包括IC）都包含在一个1平方英寸的小型电路板上，如下图所示。

图1. 1平方英寸大小的高效率、低EMI USB Type-C电源解决方案

众所周知，汽车环境的EMI问题在最初设计阶段需要仔细注意，以确保一旦系统开发完成能通过EMI测试。LT8390A具有多种独特的降低EMI的特性，可实现高功率转换和低噪声性能，从而简化其在汽车系统中的实施。LT8390A与其他四开关控制器之间的显著差异在于电感电流检测电阻的位置。大多数四开关降压-升压控制器往往使用接地基准电流检测方案来获得开关电流信息，而LT8390A将其电流检测电阻与电感串联。通过将检测电阻与电感串联，便可有效地将电阻从降压和升压热环路中移除，从而缩小环路尺寸并改善EMI性能。除了电感检测电阻位置的架构优势外，LT8390A还内置扩频调频功能以进一步降低控制器产生的EMI。

降低开关频率，将输出功率进一步提高

如果要将输出功率水平进一步提高到45W以上，则需要以较低开关频率工作，以便降低开关损耗，否则这种功率水平可能会给MOSFET带来热应力。作为LT8390A的替代产品，LT8390的工作频率介于150 kHz和600 kHz之间，具有与LT8390A相同的特性组合，可实现低EMI、高功率降压-升压设计。作为ADI公司推出的一款独特的150kHz-600kHz同步四开关Buck-Boost控制器，LT8390可提供5V至20V的输出电压（20V、3 A时最高输出60W），以通过汽车电池为USB-C设备供电。采用较大电感和输出电容的400 kHz LT8390系统，可轻松利用汽车电池输入实现100 W的输出功率，温升在可接受范围内。下图显示了各种电池供电输入下LT8390A和LT8390产品线的功率能力。如此高的控制器开关频率使得解决方案尺寸很小，带宽很高，并且AM无线电频带之外的EMI很低。

图2. LT8390A和LT8390涵盖了USB供电的各种输出功率等级

日前，业界媒体报道一款采用ADI LT8390推出的60W汽车前装USB PD解决方案，得益于LT8390的优越性能，该系统在5V-20V全输出电压保持88%至95%的效率。此外，该系统支持在不同负载的情况下的输出电压动态调整，实现所需的母线电压。下图给出了不同负载电流下输出电压动态调节的过程。

图3. 不同负载电流下输出电压动态调节的过程

本文小结

由于消费者需要更快的充电和更多的连接选项，USB Type-C在消费电子领域的迅速普及之后在汽车领域也迅速普及起来，预计到2026年全球出货量将超过5500万个。便携式和汽车电池供电的USB-C充电器设备需要一种宽V_IN/V_OUT降压-升压稳压器，以便输送高于或低于输入电压的总线电压。2 MHz开关频率使LT8390A可以提供最高45 W的输出功率，解决方案尺寸很小。对于超过45 W的功率水平，可以使用LT8390，不过解决方案尺寸会略微增大，开关频率会降低。