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. 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。
 
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。
 
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。
 
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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