汽車USB Type-C電源解決方案

USB Type-C 是一種相對較新的高功率 USB 外圍設備標準，用于計算機和便攜式電子設備。USB Type-C 標準推動了 USB 供電規范的變化，允許從長期存在的 5 V USB 標準提高總線電壓（高達 20 V）和電流輸送能力（高達 5 A）。連接的 USB-C 設備可以相互識別并協商總線電壓（從默認的 5 V USB 輸出到幾個更高的預設電壓階躍），以便在需要時實現更快的電池充電和更高的功率輸出，最高可達 100 W。

電池充電器中使用的簡單、緊湊的降壓穩壓器和線性穩壓器在 500 mA 至 2 A 時只需要 USB 5 V，不足以覆蓋 Type-C USB 電源的全部范圍。Type-C USB 供電的電壓范圍增加，即 5 V 至 20 V，需要的不僅僅是從 9 V 到 36 V（或 60 V）汽車電池或其他充電源的降壓轉換。需要一個能夠對輸入至輸出電壓進行升壓和降壓的可調降壓-升壓轉換器。

此外，對于高功率汽車USB充電器，降壓-升壓轉換器應支持10 A或更高的峰值開關電流額定值，并提供低EMI性能。能夠在AM無線電頻段之外設置開關頻率并保持較小的解決方案尺寸是廣受歡迎的功能。高壓單片轉換器（帶板載開關）無法在不燒毀的情況下維持如此高的峰值開關電流。

LT8390A是一款獨特的2 MHz同步4開關降壓-升壓控制器。在 2 MHz 開關頻率下，它可以提供 5 V 至 15 V 的輸出電壓（3 A 時高達 45 W），以通過汽車電池為連接的 USB-C 設備供電。這種高控制器開關頻率使解決方案尺寸小、帶寬高，EMI超出AM無線電頻段。擴頻頻率調制和低 EMI 電流檢測架構均有助于 LT8390A 應用通過嚴格的 CISPR 25 5 類汽車 EMI 標準。

高功率密度轉換：尺寸（和功率）、效率、熱量

在汽車或便攜式電子環境中運行的穩壓器系統的設計受到電路所需空間以及工作期間產生的熱量的限制。這兩個因素決定了在給定設計約束范圍內運行時可實現的功率水平上限。

提高設計的開關頻率允許使用更小的電感，這通常是寬輸入電壓4開關降壓-升壓穩壓器設計中占板面積最大的元件。LT8390A的2 MHz開關頻率能力允許使用比150 kHz或400 kHz設計小得多的電感器尺寸。除了更小的電感外，該解決方案僅使用陶瓷輸出電容器，無需笨重的電解電容器。該設計所需的所有元件（包括IC）都包含在一個1英寸見方的小尺寸內。

圖2顯示了采用AEC認證元件的45 W LT8390A解決方案。如圖3所示，該設計的最大溫度較環境溫度升高65°C。即使解決方案尺寸很小，LT8390A系統在提供45 W輸出的同時仍具有94%的峰值效率，并且對于產生的每個輸出電壓，在輸入范圍內的效率偏差不到10%，如圖4所示。

圖2.這款LT8390A穩壓器解決方案使用符合AEC標準的MOSFET、磁性元件和電容器，在可選的5 V、9 V或15 V低EMI輸出下提供高達3 A的電流。

圖3.在產生45 W輸出功率的同時，該小型電路的最大溫升僅比環境溫度高65°C。

圖4.LT8390A 穩壓器系統在由汽車 SLA 電池供電時產生的所有輸出電壓范圍內仍保持在 94% 至 84% 的效率范圍內。

低 EMI 適用于汽車應用

LT8390A 具有幾個獨特的 EMI 抑制特性，可實現高功率轉換和低噪聲性能，從而簡化了其在汽車系統中的實施。LT8390A 與其他 4 開關控制器之間的一個顯著區別是電感器電流檢測電阻器的位置。大多數 4 開關降壓-升壓型控制器傾向于使用以地為參考的電流檢測方案來獲取開關電流信息，而 LT8390A 則將其電流檢測電阻器與電感器串聯。通過將檢測電阻與電感串聯放置，可以有效地將其從降壓和升壓熱回路中移除，從而縮小環路尺寸并改善EMI性能。

除了電感器檢測電阻器放置的架構優勢外，LT8390A 還具有內置擴頻頻率調制功能，以進一步降低控制器產生的 EMI。此外，降壓和升壓電源開關的開關邊沿速率均得到控制，僅使用幾個分立元件來減緩MOSFET的導通，從而確保電源開關中高頻EMI降低和溫升的適當平衡。憑借這些降低EMI的特性，滿足CISPR 25合規性所需的唯一濾波由輸入和輸出上的小型鐵氧體濾波器而不是大型鐵氧體外殼和笨重的LC濾波器處理。圖1所示的解決方案僅使用AEC-Q100元件設計。

無縫輸出電壓轉換

LT8390A 的輸出電壓可在不關斷轉換器的情況下進行調節，方法是使用邏輯電平信號來驅動 MOSFET，MOSFET 將電阻分壓器從輸出端調節以改變設定電壓。具有 GPIO 引腳的 USB PD 源控制器器件可與 LT8390A 系統結合使用，以促進主機和 USB 連接器件之間的協商過程，并設置所需的總線電壓。

圖5顯示了LT8390A系統的輸出如何平穩地從一個輸出電壓轉換到另一個輸出電壓。當由12 V輸入電源供電時，每次轉換到增加的輸出電壓最多需要150 μs才能建立，從數字控制信號的上升沿開始測量。在輸出電壓的這些變化期間，降壓-升壓控制器會經歷模式轉換——在降壓、升壓和降壓-升壓操作之間——具體取決于輸入與輸出電壓的關系。這些模式轉換以受控方式執行，可防止輸出電壓過沖或下垂。

圖5.LT8390A系統的輸出在5 V、9 V和15 V輸出之間平滑轉換，同時保持向輸出的連續功率輸送。

擴展到 45 W 以上

要將輸出功率電平推高到45 W以上，需要在較低的開關頻率下工作，以減少開關損耗，否則可能會在此功率電平下對MOSFET產生熱應力。作為LT8390A的替代產品，LT8390的工作頻率范圍為150 kHz至600 kHz，具有與LT8390A相同的功能集，可實現低EMI、高功率降壓-升壓設計。400 kHz LT8390系統采用更大的電感和輸出電容，可輕松從汽車電池輸入實現100 W的輸出功率，并具有可接受的溫升。圖 6 示出了 LT8390A 和 LT8390 產品線在各種電池供電輸入下的功率能力。

圖6.LT8390A 和 LT8390 涵蓋了用于 USB 供電的寬范圍輸出功率水平。

結論

用于為連接設備供電的穩壓器的新USB標準通過增加穩壓器可以提供的輸出電壓范圍和電流傳輸，允許更高的功率傳輸。便攜式和汽車電池供電的USB-C充電器設備需要寬V電壓在/V外降壓-升壓穩壓器，用于提供高于或低于輸入電壓的總線電壓。LT8390A通過其2 MHz開關頻率在小尺寸內提供高達45 W的輸出功率。對于超過45 W的功率水平，LT8390可以采用稍大的解決方案尺寸和更低的開關頻率。

審核編輯：郭婷