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设计解决方案:使用少量空间向车辆添加更多USB端口

2018年7月10日经过Nazzareno Rossetti,Maxim集成

本文着眼于使用包含所有必要零件的单个芯片在车辆中添加其他USB充电端口的解决方案,并将5V传递给设备。

本文着眼于使用包含所有必要零件的单个芯片在车辆中添加其他USB充电端口的解决方案,并将5V传递给设备。

现代汽车的内部装有多个USB端口 - 位于主机,手套箱,扶手和后排座椅上,以收取便携式电子设备(图1)。这些端口通过圈养电缆连接到无线电单元中的USB主机充电器/适配器。

现代汽车控制台,供乘客使用USB插头。

图1。现代汽车控制台,供乘客使用USB插头。

根据位置的不同,电缆长度可以到达几英尺,在汽车中产生欧姆电压下降和EMI辐射问题。大量USB端口为USB充电器造成了沉重的负载,该充电器可能会在无线电头单元中产生过多的热量,从而影响系统的可靠性。本文讨论了现有的汽车USB主机解决方案的缺点,并提出了一种新的,高度集成的解决方案,该解决方案很容易支持不断增长的USB端口,同时需要最小的空间并大大减少热量产生。

现有解决方案

在便携式设备和充电器/适配器之间建立了成功的握手之后,典型的汽车USB适配器将为便携式设备(PD)提供5V电源。一些充电器/适配器解决方案需要多个芯片,这些芯片占用宝贵的空间,并且需要难以实施的电缆补偿。其他解决方案通过非同步开关调节器实施5V电压源,从而导致过度耗能。空间可靠的损耗解决方案的昂贵,最终降低了可靠。这样的解决方案将不支持下一代的体系结构,这些架构是将更多USB端口包装在汽车中的趋势所需的趋势。

可用于汽车电子产品的空间量不断缩小。许多解决方案也不包括传播频率调制,从而最大程度地减少了从开关调节器调制频率中的EMI辐射排放。

理想的解决方案

理想的适配器/充电器解决方案将将所有必要的功能纳入单个芯片中,以易于设计和空间节省。图2中所示的解决方案(USB适配器IC)结合了同步调整雄鹿转换器(SR BUCC),以实现最佳效率和测量负载电流的传感放大器。反馈循环根据负载电流和电缆的阻力成比例提高输出VSENSP,从而完全取消了USB电缆电压下降,并将5V传递到设备上,独立于负载电流。高电流能力是支持现代汽车中不断增长的USB端口的必要性。

在图2中,数据线(HVD-,HVD+,D-,D+)在充电之前实现了主机和客户端设备之间的通信,以进行初始握手。

汽车USB 5V适配器示意图

图2。汽车USB 5V适配器示意图

这些功能可以在MAX20037/MAX20038带有USB保护和主机充电器/适配器仿真的汽车高电流升压转换器。ICS组合了3.5A汽车级升压转换器,USB主机充电器/适配器仿真器和用于汽车USB主机应用程序的USB保护开关。高电流功能有助于许多USB端口。

小尺寸

2.2MHz的操作允许减少输出纹波和较小的外部组件,并结合一个小(5mm x 5mm)28针TQFN IC包装,从而导致最小的PCB空间职业。


高效率

最常见的降级切换体系结构是非同步降压转换器。在此体系结构中,低侧整流器是IC外部的Schottky二极管。另一方面,通过使用同步体系结构,二极管被用作同步整流器的集成,低电阻,低侧MOSFET代替。我们在MOSFET晶体管的RDS(ON)上进行了小滴度,使高压下降横跨二极管。同步矫正提供的效率明显高于典型溶液使用的非同步转换器。由于同步矫正,该设备的峰值效率远高于90%(图3)。

Max20037/Max20038效率

图3。Max20037/Max20038效率

电缆补偿

该设备家族包括USB负载电流态放大器和可配置的反馈调整电路,旨在为圈养电缆提供自动的USB电压补偿。可以通过I轻松实施电缆补偿和诊断。2C巴士。外部编程电阻被用作i的替代方案2C巴士。

低噪声

IC在强制PWM模式(FPWM)中以恒定频率运行。可选的扩散光谱频率调制设计以最大程度地减少EMI辐射频率,这是由于调制频率而导致的。在图3中,设备频率设置为2.2MHz,在AM频段上方,以减少射频干扰。

负载合规性

IC与符合USB的载荷均兼容。最初连接到端口时,兼容的USB设备不允许下沉超过30mA,并且不得出现超过10μF的电容。然后,该设备开始其D+/D-连接和枚举过程。完成“连接”过程后,该设备可以拉电流(USB2.0的100mA,USB3.0的150mA),并且不得呈现电容>10μF。

ESD保护

这些设备具有低压,高宽带数据开关(MAX20037)和高压高压数据开关(MAX20038)。MAX20037提供具有外部ESD阵列的最多6V和High-ESD保护的数据开关保护。MAX20038提供了具有内部ESD保护电路的最多18V和High-ESD保护的数据开关保护。


结论

现代汽车的内部有多个用于便携式电子收费的USB端口,为充电器/适配器带来了空间和热量产生挑战。将这些端口连接到无线电单元中USB主机的电缆会产生欧姆电压下降和EMI辐射挑战。本文讨论了现有解决方案的缺点,并介绍了Max20037/Max20038高度集成的汽车升压转换器,这些转换器具有高电流功能和最小的空间占用,噪声和热量的高度端口。他们很容易通过i来补偿电缆欧姆损失2C总线或通过外部编程电阻。

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