资料来源：特雷弗克雷恩和陶陶。
USB充电端口已经成为现代车载信息娱乐系统的重要组成部分。乘客越来越习惯于通过车辆的电气系统为智能手机(或其他便携式设备)充电，并反过来使用这些设备来丰富车辆信息和娱乐功能。为了同时支持电源和数据能力，适应快速变化的便携式设备市场，USB充电端口必须满足与电源、数据传输和鲁棒性相关的各种系统要求，即使面对现实中的各种危险情况。
便携式设备电池充电——包括支持各种设备充电协议的能力，例如USB BC 1.2充电下行端口(CDP)、专用充电端口(DCP)、标准下行端口(SDP)和各种常见的专有协议——，这些只是USB充电端口的许多要求中的一部分。其他要求包括保持高速USB数据传输的信号完整性，以及保护USB主机免受汽车环境中常见危险情况的影响。此外，小尺寸解决方案和低电磁辐射是满足日益复杂的汽车电子要求的重要要求。本文展示了一种在汽车环境中满足现代USB充电端口要求的解决方案，包括设计实例。
汽车USB供电系统概述
图1显示了一个典型的汽车USB充电器系统的框图，其中一个开关转换器从电池产生5 V电压，为VBUS供电。这里显示的USB充电端口仿真器和电源开关IC有三个主要功能。首先，USB充电端口仿真器确定连接设备的最佳充电电流，从而通过充电端口模式(如USB BC 1.2 CDP、DCP和厂商专用充电器仿真协议等)实现快速充电。).其次，USB电源开关作为限流器和开关，可以检测和限制总线电流。最后，端口控制器支持连接设备和USB主机之间的USB 2.0高速数据传输。
由于USB端口处于恶劣的汽车环境中，因此需要保护敏感的USB电路免受各种实际危害，例如插座的静电放电(ESD)事件和电缆故障事件，这些事件可能导致受影响的线路遭受远远超过其正常工作值的电压。
图一。汽车USB充电器框图
图2示出了汽车USB电源系统的简化框图，其将许多电源、端口和保护功能结合到IC中。在本例中，LT8698S将开关转换器和电源开关的功能集成到一个4mm6mm的封装中，并针对ESD事件和电缆故障提供强大的数据线保护。
图示的集成充电器解决方案包含在USB端口和便携式设备之间独立执行USB BC 1.2 CDP协商序列的所有必要硬件，因此CDP兼容设备可以从VBUS汲取高达1.5 A的电流，并与主机高速通信。
电缆压降补偿
当USB插座和控制器之间的物理距离较远时，例如USB插座位于车辆后部，USB主机位于仪表板中，那么电缆压降补偿可以将VBUS轨保持在精确的5 V调节状态。LT8698S具有可编程线缆压降补偿功能，无需额外开尔文检测线即可对USB插座进行出色的调节。
图3显示了电缆压降补偿的工作原理。检测电阻RSEN连接在OUT/ISP和BUS/ISN引脚之间，后者串联在调节器输出和负载之间。LT8698S通过RCBL接地电阻在其RCBL引脚上产生46(vout/ISPvbus/isn)/RCBL的电流源。该电流与通过连接在调节器输出和USB5V引脚之间的RCDC电阻流入USB5V引脚的电流相同。这将在RCDC电阻上产生一个高于5 V USB5V反馈引脚的电压偏移，该偏移与RCDC/RCBL电阻比成比例。于是，LT8698S根据负载电流将BUS/ISN管脚调整到高于5V负载目标的一点(最大限值为6.05V)，以维持插座VBUS管脚的精确调整。
电缆压降补偿消除了从电压调节器到远程负载连接额外一对开尔文检测线的需要，但要求系统设计人员知道电缆电阻RCABLE，LT8698S不会检测到该值。用于设置电缆压降补偿的元件可通过以下公式选择：RCBL=46RSENRCDC/r电缆。电缆电阻会随着温度而变化。为了在宽温度范围内获得更好的整体输出电压精度，可以添加负温度系数(NTC)电阻作为RCBL的一部分，以便电缆压降补偿随温度而变化。
图二。围绕单IC USB控制器解决方案构建的汽车USB电源系统的简化框图。
图3。电缆压降补偿的工作原理
图4。LT 8698s/LT 8698s-1强大的保护功能
为汽车环境提供强有力的保护。
汽车环境有很多危害，USB主机一定要保护好。这些危险包括电缆故障，导致数据线承受电池电压或接地，以及USB插座的大ESD影响。图4显示了如何保护USB主机免受这些危害。
LT8698S的HD和HD引脚可以承受高达20 VDC的电压，防止高达8 kV的接触放电和高达15 kV的空气放电的IEC 61000-4-2 ESD事件，同时保护主机免受这些恶劣条件的影响。此外，USB5V、OUT/ISP和BUS/ISN引脚可以承受输出电压故障，包括高达42 V的DC电压。当输出故障发生时，锁存和自动重试功能可以精确地限制平均输出电流。
虽然许多USB端口控制器IC需要数据线上的外部箝位二极管或电容来提供ESD保护(这会增加成本和材料，并可能降低信号完整性)，但LT8698S不需要。
数据线开关不仅能够承受上述DC故障和ESD事件，而且有助于实现出色的信号完整性。具体来说，HD和HD引脚的-3 dB带宽为480 MHz(典型值)，已经过生产测试。图5示出了根据USB 2.0规范在测试平面2的演示板上测量的高速传输眼图。图中显示符合USB模板的限制1、测试平面2，有足够的余量。
图5。在演示板上测得的高速USB 2.0眼图。显示了模板1的要求。
兼容并支持多种充电器功能。
本例中使用的控制器IC与各种USB连接器类型和充电器特性兼容，如表1所示。我们来看看单个控制器在一个USB Type-C 5 V和3 A方案(15 W)中是如何工作的。
图6显示了带电缆压降补偿的USB 5 V和3 A VBUS稳压器的原理图。在此电路中，选择8m的RSEN电阻以支持最高3 A的输出电流，SYNC/MODE引脚接地以使能脉冲跳跃工作模式，从而降低轻负载电流下的开关频率和静态电流。
LT8698S还支持USB BC 1.2 DCP模式，可提供高达1.5 A的充电电流，支持大电流充电能力。用作DCP端口时，D线和D线短路，没有数据传输。
许多便携式设备制造商已经开发了专有的充电器协议。同样，也支持这些厂商的专有充电器协议和对应的最大充电电流(如2.0 A、2.4 A、2.1 A和1.0 A)。主机微控制器可以通过控制三个SEL引脚来实现这些充电器协议。
图7显示了2.4 A/1.5 A USB充电器的原理图。在该应用中，微控制器利用LT8698status引脚和IMON电流监控器提供的信息，通过控制SEL1-3输入引脚来选择所需的充电器协议。这样，微控制器可以优化便携式设备的充电特性，从而以尽可能大的电流安全地充电。
表1。LT 8698s/LT 8698s-1与各种USB连接器类型、充电器协议和数据接口的兼容性。
图6.5 V、3 A、USB类应用
图7。带电流监控器的2.4 A/1.5 A自动协议检测充电器。
EMI解决方案
汽车电子系统对电源的一个关键要求是低EMI，这通常需要满足CISPR 25 5发射标准。LT8698S采用Silent Switcher 2技术设计，使USB电源能够满足这些严格的汽车EMI标准，而不会牺牲解决方案的尺寸、效率和稳定性。
Silent Switcher 2架构在LQFN封装内部集成了一个旁路电容，以最大限度地降低EMI。旁路电容的集成简化了电路板设计，减小了整体解决方案的尺寸，并尽可能降低了PCB布局对EMI性能的影响。LT8698S-1不包含这些内部旁路电容，在其他方面与LT8698S相同。通过向SYNC/MODE引脚施加高于3.0 V的DC电压，两款器件都可以提供可选的扩频调制。图8显示了LT8698S在典型应用条件下的辐射EMI性能。
LT8698S和LT8698S-1可以在300 kHz至3 MHz的可编程同步开关频率下工作。较高开关频率允许使用较小的电感和电容值来减小整体解决方案的尺寸。图9显示，即使在2 MHz的高开关频率下，这种12 V至5 V USB解决方案也能实现93%的效率。
图8。辐射EMI性能(CISPR 25电磁辐射干扰，使用峰值检测器，5级峰值限值)
图9.5 V USB解决方案效率和功耗曲线。
结论
USB充电端口是现代车载信息娱乐系统的重要组成部分。面对汽车环境下的各种真实危险事件，必须应对供电、数据传输支持、鲁棒性等各种系统挑战。本文介绍的采用LT8698S USB充电器IC的例子解决了这些挑战。它们支持各种便携式设备充电器协议，可以为USB type-C充电应用提供高达15 W的输出功率。此外，它们还可以保护USB主机免受潜在危险情况的影响，例如电缆故障和严重的ESD事件。LT8698S可以提供这种保护，同时保持USB主机和便携式设备之间高速USB数据传输所需的信号完整性。最后，静音切换器2架构可以提供出色的EMI性能，而不会牺牲效率和解决方案尺寸。hfy
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