5000字长文解读车载USB供电的方方面面

winniewei 提交于 周二, 02/25/2020
5000字长文解读车载USB供电的方方面面

摘要:哪有白来的充电方便,都是工程师在幕后想了很多办法。面向未来,不支持USB Type-C接口的汽车不要买。

随着便携式电子设备的广泛普及,用户在开车时为自己的设备充电变得越来越频繁。USB供电功能让设备充电变得极为便利。USB的高数据率也让新一代信息娱乐系统支持丰富多样的车载功能,如音频播放、屏幕和应用共享,以及数据连接等等。

传统USB Type-A接口已经广泛应用于汽车OEM厂商的各种车型,其供电能力最高为7.5W(5V电压,最高1.5A电流)。随着USB Type-C接口在PC机、智能手机和其它便携式电子设备上快速普及,USB Type-A接口正迅速被淘汰。USB Type-C半导体市场预计出货量到2022年将超过9亿片(来源:Gartner 2018年报告和赛普拉斯估计)。

与USB Type-A接口相比,USB Type-C接口结构更紧凑,具备通用连接,可正反插,线缆插拔无方向性限制(Type-C线缆两端插头完全相同)。此外,它还能显著提高输出功率,最高可达100W(20V电压,最高5A电流)。由于能够提供远高于7.5W的功率,它能实现极富吸引力的新使用模式,可以快速充电,能够同时为车内不断增加的有源设备充电,如平板电脑、笔记本电脑乃至电动剃须刀(参见图1)。

图1.为各种设备充电所需的功率以及能够满足要求的USB规范。

图1.为各种设备充电所需的功率以及能够满足要求的USB规范。

要将具有新一代供电能力的USB Type-C接口植入汽车中,涉及的工作远不止提高供电端口电压和电流这么简单,它还要求采用不同于跟商品级和消费级产品USB口的设计方法。在本文中,我们将探讨如何在车辆内使用USB,USB Type-C与PD(Power Delivery)控制器应具备的功能,互操作性的影响,以及USB Type-C设计应考虑的主要因素。

Power Delivery(协商供电)的妙处

我们所处时代的节奏在不断加快,我们需要能更快、更频繁地为我们的设备充电。如果拥有100W供电能力,就能在约15分钟内同时为笔记本电脑和手机充满电。

提高供电能力是车载USB的关键。虽然用户可以使用Type-A转 USB-C的适配器,通过车上的老端口为新手机充电,但是这样做不能充分发挥USB Type-C接口的优势。具有USB Type-C接口的新一代手机虽然具备快充能力,却受制于USB Type-A接口的7.5W供电能力。显然,全功率供电将对客户满意度和车型差异化优势有着重要的作用。

一般来说,汽车OEM厂商无需为车上的每一个USB Type-C端口提供全功率100W电力。为了在不严重影响充电时间或可靠性的前提下降低成本,可在多个端口间共享100W供电功率,实现所谓的动态负载共享。在总功率100W的情况下,配合相应的固件,当有第二个设备插入时,USB PD控制器可进行智能的分配,将一个USB Type-C端口的功率降低至60W,而第二个插入的设备可以获得40W功率(参见图2)。

图2. 为降低成本,可在多个端口间共享100W供电功率,即所谓的动态负载共享。A)单个设备以100W功率充电;B)在第二部设备插入后,两部设备可共享端口提供的功率。

图2. 为降低成本,可在多个端口间共享100W供电功率,即所谓的动态负载共享。A)单个设备以100W功率充电;B)在第二部设备插入后,两部设备可共享端口提供的功率。

USB Type-C与PD控制器

为处理USB Type-C和Power Delivery(PD)协议的复杂性,PD控制器集成了带有PD逻辑的嵌入式微处理器。典型情况下,该微处理器的固件由处理器制造商提供,要么是一个可下载文件,要么是由开发环境直接生成。

汽车OEM厂商要在车辆的长生命周期中提供高可靠的解决方案,通过USB认证只是最低要求。控制器应得到成熟的软件栈支持,并通过市场检验,这样才能保证USB子系统的可靠性。此外,互操作性也十分必要。因为两个符合USB规范的设备也未必能一起工作。

互操作性在汽车应用中起着重要的作用,互操作性差,会给用户满意度造成负面影响。USB端口已发展成为汽车的一项重大功能,从充电、音乐流媒体到智能手机交互,越来越多的功能使用USB端口。购买汽车时,人们有时更关心是否能够轻松地连接手机和播放音乐,而不是发动机运转有多良好。

汽车的使用寿命很长,它们不仅需要与当今市场上几乎每一种智能手机、平板电脑和笔记本电脑实现互操作,还需要与今后几年推出的电子设备实现互操作。考虑到普通智能手机每两年更换一次,互操作就变得更为重要。

此外,就如许多标准一样,USB PD标准会随时间推移而演进发展。例如,当前标准支持具备可编程供电(PPS)功能的Power Delivery 3.0和Quick Charge (QC) 4.0。如果这些规范中的任意一种规范发生变化(实际上USB Type-C规范和PD规范一直处于变化中),汽车可能就不能完全兼容市场上的新型设备。

实现高可靠、互操作性的唯一途径是使用可编程的USB控制器。使用可编程控制器有助于对USB PD协议栈进行升级,使之能与最新设备实现互操作。因为汽车有如此众多组件需要使用软件运行,司机们的习惯是,这些软件升级对车主是透明的。因为当一辆车进行维护保养时,技术人员一般会从升级固件开始。

控制器虽然拥有嵌入式处理器,但它未必具有可编程能力。以固定功能的USB控制器为例,它不需要编程,销售价格也较低。作为替代品的可配置控制器,能提供数量有限的、预先编程的配置选项。

固定功能控制器与可配置控制器很适合消费类电子设备(如USB鼠标)等应用。此类应用的产品寿命最多只有几年时间,而且产品交互简单,只需与数量有限、且明确定义的几种设备进行互操作(如PC机和笔记本电脑)。

由于可编程USB控制器能让开发人员充分发挥控制器的各项功能,为多种设备的互操作和各种用例提供最佳体验。通过反馈,控制器能动态调整和调校自身设置,以针对具体设备优化性能。此外,在引入新标准或发生意外问题的时候,通过固件升级,这种USB控制器足以灵活地解决这些问题。这就有助于汽车OEM厂商在车辆的整个使用寿命中确保互操作、质量和可靠性。

值得一提的是,充分发挥这种控制器的各项功能,并不需要开发人员直接为控制器编程。开发人员使用先进的开发工具,就能定义控制器的各种工作模式。接着,开发工具能自动生成正确的固件。这些工具也简化了更新控制器的过程。

此外,一些USB控制器制造商还负责管理新USB设备的互操作性,为车上USB-C口提供升级用的固件,以应对规范的变化。汽车OEM厂商也就没有必要专门安排工程资源来自行从事这方面的工作。

车载USB控制器不同于标准化商品。试想,如果USB鼠标停止工作,不到10美元就可以更换。但如果车载USB端口停止工作,则需要昂贵的质保维修才能恢复。因此,车载USB控制器必须符合更高标准。良品率必须远高于消费类产品。汽车应用的电子设备必须能够承受更高的工作温度。汽车组件的保修年限远远长于普通消费类电子产品。例如,消费类控制器的保修年限可能很短,而汽车OEM厂商要求的保修年限则超过10年。

保障车规级可用性的五项技术

设计拥有更大供电能力的USB Type-C子系统,主要挑战之一是电源需要过压、过流、ESD和短路保护以及高压栅级驱动器。此外,还需要线缆补偿,以保障车上信号通过长线缆时的信号质量。汽车的内部空间往往很局促,且时常在恶劣的环境条件下工作,为了实现可靠运行,还需要加温度控制,控制功率,以防过热和损坏。此外,在向USB Type-C过渡的过程中,OEM厂商需要支持传统的USB Type-A设备。

电路保护:在USB端口的现实使用环境中,USB电路需要防范一系列电气事件。其中,最常见的就是静电放电(ESD)。例如,乘客在塑料椅子上来回挪动或摩擦地毯就会累积静电电荷。如果他们触碰暴露在外的USB端口,就可能破坏车内精密的电子设备,这些设备维修难度大,维修成本高。

为了防止ESD,系统需要与屏蔽地连接,这样就能安全地耗散能量。理想的话,控制器应集成ESD防护功能。通常,8 KV的接触放电防护和15 KV的空气放电防护足以保护控制器不会因ESD事件损坏。此外,也可以在PCB上加装额外的ESD保护二极管,进一步增强保护。

USB端口还需要防范意外的过压(OV)和过流(OC)情况。过压和过流常发生在设备充电的过程中。在启动充电时,设备和供电系统要在电流和电压上保持一致。然而,如果系统提供错误的电压或电流,就需要触发过压保护(OVP)或过流保护(OCP)电路,起到保护设备的作用。

此外,短路保护也是必要的。在将线缆按一定角度拉拽时,Vbus引脚可能与某一个数字引脚瞬间短路。Vbus的电压可高达20V,而数字引脚仅能承受5V,这种短路会损坏相关的端口。与Type-A端口相比,短路保护对于USB Type-C端口显得更加重要。这是因为,Type-C端口在更紧凑的空间中塞入了22个引脚(而Type-A为9个),从而提高了Vbus的短路概率。

理想情况下,USB控制器应集成短路保护功能。短路保护可以重置,这样发生短路时不会损坏控制器。之后可以重置控制器以恢复该Type-C口功能,这样短路事件就成为暂时的可恢复事件,不必召回车辆入店维修。如果没有集成短路保护功能,控制器可能被烧毁,导致严重问题。

高压栅级驱动:为了支持后向兼容,USB Type-C接口的默认电压为5V。在供电电压确定后,控制器可能需要从5V FET切换到20V FET,以支持更高功率的供电。如果该功能未集成在控制器中,则需要外加电路来驱动更大功率的FET,以便为Vbus提供20V电压。

线缆补偿:为方便起见,USB端口可能布局在车内各处,比如中控台、后座间的中央储物盒和/或杂物箱内。对于不单用于供电的USB端口(如数据功能),USB控制器还很有可能用于信息娱乐系统。将储物盒中的端口连接到信息娱乐系统可能需要长达10英尺的USB线缆。使用如此长的线缆可能造成严重的压降,对信号质量和可靠性造成不利影响。

为了保持长线缆中的信号质量处于可靠的工作范围内,控制器可以施加补偿。简单来说,控制器内的固件可调节输出电压,以补偿超长线缆产生的压差。这种补偿可根据使用的线缆长度采取固定数值,控制器也可以通过定期对接收到的信号进行监控、修改补偿调节量,进行动态压降补偿。

过温功率控制:采用USB Type-C的另一挑战是如何解决高达100W功率充电时产生大量热的问题。过热可能造成一系列问题,包括引发火灾和/或损坏正在充电的设备。临近的、对热比较敏感的组件,如信息娱乐系统或导航系统的电子设备,也可能受到不利影响。过大的热耗散甚至可能破坏USB端口本身,需要昂贵的维护或保修。

过温功率控制是防止过热的有效方法。布置在敏感组件旁边的热传感器在接近热阈值时会警示控制器。控制器随即降低充电功率。降低功率后,发热减少,系统便可以冷却下来。与此同时,连接的设备仍然在充电,只是速度降低。这种安全功能应集成在控制器的微处理器中,并对用户透明。

支持传统的USB Type-A口:虽然新设备将采用USB Type-C接口,但是使用USB Type-A接口的设备仍有数十亿之多。汽车OEM厂商需要提供Type-A端口,为这些传统设备提供支持。不必设计两个单独的USB子系统,现有的控制器能同时支持Type-A端口和Type-C端口(参见图3)。这类一体化控制器在简化系统设计的同时,最大限度地降低了总BOM成本。

图3  赛普拉斯提供的CCG3PA等混合控制器同时支持Type-C端口和Type-A端口,因此用户既能连接Type-C端口设备并实现快速充电,也能连接他们的传统Type-A端口设备并为其充电。

图3  赛普拉斯提供的CCG3PA等混合控制器同时支持Type-C端口和Type-A端口,因此用户既能连接Type-C端口设备并实现快速充电,也能连接他们的传统Type-A端口设备并为其充电。

为了确保电源的可靠性,需要实现上述所有功能。这样会显著增加车载USB Type-C与PD子系统的成本和空间占用。面向汽车市场的USB控制器将这些功能和其他功能集成在一起(参见图4),确保全部组件都达到车规要求,可以很好地协同工作、降低成本、简化设计。减少需要装配的元件数量还可以减少潜在的故障点,提高可靠性。

图4. 面向汽车市场设计的USB Type-C控制器,比如这里显示的赛普拉斯CCG3PA,通过集成必要组件,确保高可靠供电、降低成本、简化设计,同时在车辆的使用寿命中保持良好的互操作性。

图4. 面向汽车市场设计的USB Type-C控制器,比如这里显示的赛普拉斯CCG3PA,通过集成必要组件,确保高可靠供电、降低成本、简化设计,同时在车辆的使用寿命中保持良好的互操作性。

赛普拉斯是历代USB技术的领先供应商。汽车OEM厂商使用EZ-PD USB-C CCG3PA控制器,能把Power Delivery 3.0和Quick Charge 4.0的全部优势提供给自己的客户。CCG3PA评估套件可为USB Type-C电源适配器/充电器和充电宝设计提供全面的支持,包括固件生成。

随着USB PD迅速成为汽车的标配功能,能与新一代便携式设备互操作成为关键。汽车需要支持USB Type-C接口。从USB Type-A升级到USB Type-C还能支持快速充电等新的功能。为了在车辆的整个使用寿命周期中保持高质量和互操作性,设计人员需要足够灵活的可编程控制器,以适应USB规范变化、并与基于新规范的未来产品进行互操作。通过将关键功能集成到控制器中,为内部电子设备提供保护,OEM厂商既能保障可靠性,也能最大限度地降低系统成本。

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