汽車系統(tǒng)的USB供電詳細解讀

USB Type-C新標準中最令人激動的一個方面是其電力傳輸部分。通過USB供電，器件可以成功獲得更多的電力，從而實現(xiàn)以前無法實現(xiàn)的功能。手機、平板電腦和筆記本電腦等便攜式設備將能夠更快地充電。顯示器等高功率設備將能夠通過相同的電纜獲得電源和數(shù)據(jù)。

器件和主機的數(shù)量仍然相對較少，但正不斷增加。隨著USB Type-C器件的普及，消費者也希望在家中、移動辦公時使用它們，尤其是在汽車上。

汽車系統(tǒng)有一套獨特的要求和設計障礙，超出了USB供電的要求。表1所示為汽車系統(tǒng)中的典型電壓。

表1 汽車系統(tǒng)中的典型電壓

汽車系統(tǒng)將對輸入使用保護和/或調(diào)節(jié)，以限制負載的電壓。該電壓通常限于高出卡車電壓或為電池電壓的兩倍，但低于40V。輸入保護功能可使輸入電壓介于3-40V之間。

USB Type-A器件僅在5V條件下工作，因此降壓轉(zhuǎn)換器可以創(chuàng)建充電或通信端口。然而，在起動條件下，USB Type-A系統(tǒng)不起作用。過去，這并不是一個很大的問題，因為車輛駕駛員只將車輛起動一次，而且起動只需要很短的時間。但是隨著停止起動怠速的采用，這種中斷逐漸成為了一個嚴重的問題。想像您坐在車中聽著手機播放的音樂，每次車輛起動和停止時，音樂就會中斷。USB供電允許電壓介于5V-20V之間，為負載提供適當?shù)碾妷菏且粋€真正存在的問題。

簡單的降壓轉(zhuǎn)換器不再能夠執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換。在特定的輸入和輸出電壓范圍內(nèi)，一個簡單的升壓轉(zhuǎn)換器也不夠。汽車系統(tǒng)設計人員需要一臺可以根據(jù)工況降壓或升壓的轉(zhuǎn)換器。

一些拓撲結(jié)構(gòu)符合這些標準，包括單端初級電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)、反激式或非反向降壓-升壓。非反向降壓-升壓類別還包括雙開關(guān)或四開關(guān)的選項。圖1所示為每個拓撲的簡化原理圖。

圖1 非反向降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)的簡化原理圖

這些拓撲中的每一個都包含權(quán)衡，如表2所列。

表2選擇非反向降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)時的權(quán)衡

SEPIC和反激式轉(zhuǎn)換器所具有的性能高度相似;然而，SEPIC的鉗位輸入電壓和現(xiàn)成的電感使其對汽車應用更具吸引力。雙開關(guān)降壓-升壓在功率上受限，其范圍與SEPIC類似，但對雙開關(guān)降壓-升壓控制器來說，可用選項很少。因此，只能將SEPIC用于低功耗應用(5-50W)，而將四開關(guān)降壓-升壓用于高功率應用(30-100W)。

汽車環(huán)境中的許多應用可以從USB供電中受益，其中包括：

·車輛(5, 9, 15或20V)中可達100W的充電端口。

·從便攜式設備充電和接受數(shù)據(jù)的信息娛樂端口。

·信息娛樂輸出端口——例如，連接到車輛后部監(jiān)視器并通過同一根電纜提供電源和數(shù)據(jù)的端口。

·可從汽車提供電源和數(shù)據(jù)的診斷端口。

USB Type-C尚未應用于車輛，但很快就會得到應用。目前還有許多電源障礙需要解決，以確保獲得無故障的用戶體驗。輸入和輸出電壓的變化使得非反向降壓-升壓電源成為理想的選擇。對于低成本和低功耗解決方案來說，SEPIC可能是合適的選擇。對功率和效率更高的設計來說，四開關(guān)降壓-升壓法可以提供一個非常有吸引力的解決方案。在汽車環(huán)境中通過USB 供電的應用數(shù)量只會增加不會減少，這意味著電源設計的機遇將會更加多元。