推广 热搜: 混合机  200T不锈钢浸出设备  螺带混合机  犁刀混合机  粉体  无重力混合机  螺旋榨油机  液压榨油机  小型榨油机  半连续物理精炼二楼 

汽车的USB供电技术

   日期:2019-11-26     浏览:0    
核心提示:随着便携式电子设备的广泛采用和使用,对于用户来说,在驾车时为自己的设备充电已变得越来越重要。USB的供电功能使设备充电非常
       随着便携式电子设备的广泛采用和使用,对于用户来说,在驾车时为自己的设备充电已变得越来越重要。USB的供电功能使设备充电非常方便用户。此外,USB的高数据速率使下一代信息娱乐系统能够支持广泛的车载功能,例如音频播放,屏幕和应用程序共享,数据连接以及许多其他功能。

传统的USB A型连接器已在所有主要汽车OEM的模型中提供,其电源能力高达7.5 W(5 V时电流高达1.5 A)。但是,随着PC,智能电话和其他便携式电子设备中USB Type-C连接器的迅速采用,USB Type-A迅速成为传统连接器:USB Type-C半导体市场预计将超过9亿个2022年的出货量(资料来源:Gartner 2018和Cypress估算)。

USB Type-C连接器提供比USB Type-A连接器更紧凑的尺寸,并具有通用连接,可逆插头方向和可逆电缆方向的其他优点。它还支持更高的功率输出,高达100 W(20 V时高达5 A)。能够提供比7.5 W高得多的功率的能力使得新的使用模式引人注目,包括更快的充电速度以及同时为汽车中越来越多的有源设备(包括平板电脑,笔记本电脑甚至电动剃须刀)充电的能力(见图1)。


1.该图显示了为各种设备充电所需的功率,以及满足要求的USB规格。

但是,在车辆中实现USB Type-C和下一代电源传输的意义不仅仅在于增加端口的电压和电流。它还需要一种不同的设计方法,这对于基于USB的商品级和消费级产品来说是典型的。在这里,我们将探讨如何在车辆中使用USB,USB Type-C和Power Delivery控制器所需的功能,互操作性以及在设计USB Type-C时要考虑的关键因素。

电力输送的重要性

世界步伐的加快意味着我们需要能够更快,更频繁地为设备充电。例如,在100 W的功率下,可以在大约十五分钟的时间内为笔记本电脑和手机充电。

更高的功率输出是车载USB的关键。当然,用户可以使用USB Type-C到Type-A适配器通过旧端口为新手机充电。但是,他们将无法获得USB Type-C的全部好处。相反,他们能够快速充电的下一代手机将被限制为USB Type-A所提供的最大7.5 W功率。显然,全功率输出的可用性将在客户满意度和车辆型号差异化方面发挥重要作用。

 

汽车OEM不太可能需要为车辆中的每个USB C型端口提供全部100 W的功率。为了在不显着影响充电时间或可靠性的情况下降低成本,可以在端口之间共享一个100 W的电源,这称为动态负载共享。例如,USB Power Delivery控制器和固件中的智能功能可以将USB Type-C端口之一的功率降至60 W,因此在插入设备后它可以为第二个端口提供40 W的功率(请参见图2) )。

2.为了降低成本,可以在端口之间共享一个100 W的电源,这称为动态负载共享。A)单个设备的充电功率为100W。B)插入第二个设备时,两个设备可以共享可用功率。

USB Type-C和电力输送控制器

为了处理USB C型和供电(PD)协议的复杂性,这些控制器将嵌入式微处理器与PD控制器逻辑集成在一起。通常,此微处理器的固件将由控制器制造商提供,以可下载文件的形式或由开发环境生成。

如果OEM想要在车辆的长使用寿命内提供可靠的解决方案,那么获得USB认证只是最低要求。控制器还应该由成熟的软件堆栈提供支持,该堆栈已在现场进行了验证,以便USB子系统可靠。另外,互操作性是必不可少的。仅仅因为两个设备符合USB规范并不一定意味着它们可以一起工作。

互操作性在汽车应用中起着关键作用,因为互操作性差会对用户满意度产生负面影响。USB端口已发展成为汽车的高端功能,在充电,音乐播放以及与智能手机交互方面承担着越来越大的责任。购买汽车时,人们通常会比起发动机运转状况更清楚地知道如何连接手机和播放音乐。

由于延长了使用寿命,车辆不仅需要能够与当今几乎所有的智能手机,平板电脑和笔记本电脑进行互操作,而且还需要与未来几年内发布的产品进行互操作。当您考虑每两年更换一次典型的智能手机时,互操作性就显得尤为重要。

此外,USB供电标准可能会随着时间的推移而发展,就像许多标准一样。例如,当前标准支持带有可编程电源(PPS)和快速充电(QC)4.0的Power Delivery 3.0。如果这些规范中的任何一个发生了更改(实际上,USB Type-C和PD规范都在不断地更改),则该车辆可能无法完全支持投放市场的新设备。

实现强大的互操作性的唯一方法是通过可编程USB控制器。使用可编程控制器,可以升级USB PD堆栈以与新设备互操作。由于汽车上的许多部件都使用软件,因此驾驶员开始接受软件升级是一种标准做法。这些升级通常对车主是透明的,因为技术人员通常在将车辆送去维修时从固件升级开始。

控制器具有嵌入式处理器的事实并不一定意味着它支持可编程性。例如,无需对固定功能的USB控制器进行编程,并且可以以较低的成本获得。或者,可以使用可配置的控制器,该控制器提供了预先编程到控制器中的有限数量的配置选项。

固定功能和可配置的控制器非常适合诸如消费电子设备(例如USB鼠标)之类的应用,在这些应用中,产品的使用寿命预计最长为几年,并且该产品仅需与有限且良好的设备进行互操作即可。定义的设备集(例如,PC和笔记本电脑)。但是,固定功能的USB控制器只能为数量有限的设备提供最佳质量。同样,如果可配置控制器上的可用设置与用户拥有的特定设备不匹配,则用户体验的质量将下降。这样的互操作性问题仅在规格更改时变得更加普遍。

相比之下,可编程USB控制器可以使开发人员完全访问该控制器的功能,从而可以最大程度地提高设备和用例的质量。使用反馈,控制器可以动态调整和调整其设置,以优化特定设备的性能。此外,如果引入了新标准或出现无法预料的问题,则USB控制器足够灵活,可以通过固件升级解决这些问题。这使汽车OEM可以确保在汽车的整个使用寿命期间保持互操作性,质量和可靠性。

需要特别注意的是,开发人员无需直接对控制器进行编程即可访问其全部功能。开发人员无需编写固件,而可以使用高级开发工具来定义控制器的运行方式。然后,这些工具会自动生成适当的固件。这些工具还简化了更新控制器的过程。

一些USB控制器制造商还承担着与基于USB的新设备的互操作性管理以及适应规范更改的任务。这使汽车原始设备制造商无需专门花费工程资源来自己执行这些任务。

事实是,汽车USB控制器不是商品。考虑到USB鼠标停止工作时,只需不到10美元即可更换它。如果汽车中的USB端口停止工作,则维修起来可能是昂贵的保修。因此,用于车辆的USB控制器必须始终满足更高的标准。产量必须比消费品高得多。汽车电子设备必须能够承受更高的工作温度。最后,与传统的消费电子应用相比,汽车部件的可用时间更长。也就是说,商品控制器可能仅在短时间内可用,而不是汽车OEM所需的10年以上。

积分

设计具有更高功率输出的USB Type-C子系统的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极驱动器。还需要电缆补偿以确保在车辆中保持长电缆上的信号质量。在经常密闭的环境中支持可靠的操作

在车辆的极端环境条件下,为防止过热和损坏,必须进行基于温度的节流。此外,OEM厂商将希望在向USB C型过渡期间支持旧式USB A型设备。

电路保护:由于USB端口暴露在现实世界中,因此USB电路需要保护免受各种电子事件的影响。最常见的一种是静电放电(ESD)。例如,在乙烯基座椅上四处走动或摩擦地毯的乘客会积聚电荷。如果它们触摸裸露的USB端口,则会损坏车内敏感的电子设备,这些电子设备维修难度大,成本高。

为了防止ESD,系统需要接地到屏蔽层接地,以便能量能够安全消散。理想情况下,控制器具有集成的ESD保护。8 KV触点和15 KV空气放电保护通常足以保护控制器免受ESD事件的影响。可以在PCB上添加额外的ESD保护二极管以进一步增强保护。

USB端口还需要防止意外的过压(OV)和过流(OC)事件的保护。设备充电期间可能会发生OV和OC事件的常见情况。要启动充电,设备和电源传输系统会就电流和电压达成一致。但是,如果系统开始提供错误的电压或电流,则会触发过压保护(OVP)或过流保护(OCP)电路以保护设备。

短路保护也是必要的。当电缆以一定角度拔出时,Vbus引脚可能会瞬间与数字引脚之一短路。鉴于Vbus可以高达20 V,并且数字引脚可以承受5 V电压,所以这种短路可能会损坏受影响的端口。与Type-A相比,USB Type-C端口的短路保护更为重要,因为Type-C连接器可将22针(与Type-A的9针相比)更小,从而增加了Vbus的机会短。

理想情况下,短路保护已集成到USB控制器中。请注意,短路保护是可重置的,因此,如果短路,则不会损坏控制器。相反,控制器将关闭以防止短路。然后可以将其重置以恢复端口,从而使短暂事件只是一个临时且可解决的问题,而不是导致店内维修。

高压栅极驱动器:为了支持向后兼容,USB Type-C连接器默认为5V。在协商了功率传输级别后,控制器可能需要从5 V FET切换到20 V FET以支持更高的功率输出。如果未将此功能集成到控制器中,则将需要附加电路来驱动需要更高功率的FET,以在Vbus上提供20 V电源。

电缆补偿:为方便起见,USB端口可能位于整个汽车内,例如在前头部单元,后排座椅之间的中央储物箱和/或杂物箱中。对于不仅仅支持电力传输(即数据功能)的USB端口,USB控制器可能会成为信息娱乐系统的一部分。将储物箱中的端口物理连接到信息娱乐系统可能需要最长10英尺的USB电缆。使用如此长的电缆,会出现很大的压降,这可能会对信号质量和可靠性产生负面影响。

为了将信号质量保持在可靠的工作范围内,控制器可以采用补偿。简单来说,控制器中的固件会调整输出电压,以抵消电缆长度上的压降。该补偿可以根据所用电缆的长度以固定量实施。或者,控制器可以通过定期监视其接收到的信号并修改补偿调整来动态补偿电压降。

基于温度的功率节流:实施USB Type-C的挑战之一是处理与提供高达100 W功率相关的额外散热。过热会引起许多问题,包括起火和/或损坏正在使用的设备。带电。信息娱乐或导航系统电子设备等对热敏感的附近组件也可能受到影响。过多的散热甚至可能损坏USB端口本身,从而需要昂贵的服务或保修电话进行维修。

基于温度的功率节流是防止过热的有效方法。当接近热阈值时,位于敏感组件旁边的热传感器会向控制器发出警报。然后,控制器可以减少所输送的功率。功率越少,热量就越少,系统可以冷却。同时,连接的设备仍可以充电,只是速度较慢。此安全功能需要与控制器的微处理器集成,并且可以以对用户透明的方式实现。

旧版USB Type-A支持:虽然新设备将具有USB Type-C连接器,但仍有数十亿设备具有USB Type-A连接器。汽车原始设备制造商将需要提供A型端口以支持这些旧设备。除了可以实现两个独立的USB子系统外,还可以使用同时支持Type-A和Type-C端口的控制器(请参见图3)。这些集成控制器简化了系统设计,同时使总BOM成本降至最低。


3.赛普拉斯的CCG3PA等混合控制器同时支持Type-C和Type-A端口,因此用户可以连接和快速充电基于Type-C的设备,同时仍然可以连接和充电其传统的Type-A设备。

实现这些功能中的每一项都是确保电源可靠性的必要条件,并且可能大大增加USB Type-C和车辆内供电子系统的成本和占用空间。设计用于汽车市场的USB控制器以集成这些功能和其他功能(参见图4)。这样可确保组件具有汽车级的性能,协同工作,降低成本并简化设计。通过减少潜在故障点的数量,减少必须组装的组件的数量也提高了可靠性。


4.专为汽车市场设计的USB Type-C控制器(如此处所示的赛普拉斯的CCG3PA)集成了必要的组件,以确保可靠的电力传输,降低成本,简化设计并在车辆的整个使用寿命内保持互操作性。

赛普拉斯一直是每一代USB技术的领先供应商。借助EZ-PD USB-C CCG3P3控制器,汽车OEM可以为客户带来Power Delivery 3.0和Quick Charge 4.0的全部好处。CCG3PA评估套件提供了设计USB Type-C电源适配器/充电器和移动电源所需的所有支持,包括固件生成。

随着USB供电迅速成为车辆的标准功能,保持与下一代便携式设备的互操作性成为关键。汽车需要支持USB C型连接器。从USB Type-A到Type-C的过渡将引入新功能,包括更快的充电速度。为了在车辆的整个生命周期中保持质量和互操作性,设计人员需要一个可编程控制器,该控制器应具有足够的灵活性以支持对USB规范的更改,并可以与基于这些规范的未来设备进行互操作。通过将关键功能集成到控制器中以保护内部电子设备,OEM可以在确保可靠性的同时将系统成本降至最低。




 
打赏
 
更多>同类资讯

推荐图文
推荐资讯
点击排行
网站首页  |  关于我们  |  联系方式  |  使用协议  |  版权隐私  |  网站地图  |  排名推广  |  广告服务  |  积分换礼  |  网站留言  |  RSS订阅  |  违规举报