圖1.為各種設備充電所需的功率以及能夠滿足要求的USB規範。

 

要將具有新一代供電能力的USB Type-C接口植入汽車中
，涉及的工作遠不止提高供電端口電壓和電流這麼簡單，它還要求采用不同於跟商品級和消費級產品USB口的設計方法。在本文中，我們將探討如何在車輛內使用USB，USB Type-C與PD（Power Delivery）控製器應具備的功能
，互操作性的影響，以及USB Type-C設計應考慮的主要因素。

 

Power Delivery（協商供電）的妙處

 

我們所處時代的節奏在不斷加快，我們需要能更快
、更頻繁地為我們的設備充電。如果擁有100W供電能力，就能在約15分鍾內同時為筆記本電腦和手機充滿電。

 

提高供電能力是車載USB的關鍵。雖然用戶可以使用Type-A轉 USB-C的適配器，通過車上的老端口為新手機充電，但是這樣做不能充分發揮USB Type-C接口的優勢。具有USB Type-C接口的新一代手機雖然具備快充能力
，卻受製於USB Type-A接口的7.5W供電能力。顯然，全功率供電將對客戶滿意度和車型差異化優勢有著重要的作用。

 

一般來說，汽車OEM廠商無需為車上的每一個USB Type-C端口提供全功率100W電力。為了在不嚴重影響充電時間或可靠性的前提下降低成本，可在多個端口間共享100W供電功率，實現所謂的動態負載共享。在總功率100W的情況下，配合相應的固件，當有第二個設備插入時
，USB PD控製器可進行智能的分配，將一個USB Type-C端口的功率降低至60W
，而第二個插入的設備可以獲得40W功率（參見圖2）。

 

圖2. 為降低成本，可在多個端口間共享100W供電功率，即所謂的動態負載共享。A）單個設備以100W功率充電；B）在第二部設備插入後，兩部設備可共享端口提供的功率。

USB Type-C與PD控製器

 

為處理USB Type-C和Power Delivery（PD）協議的複雜性
，PD控製器集成了帶有PD邏輯的嵌入式微處理器。典型情況下，該微處理器的固件由處理器製造商提供，要麼是一個可下載文件，要麼是由開發環境直接生成。

 

汽車OEM廠商要在車輛的長生命周期中提供高可靠的解決方案，通過USB認證隻是最低要求。控製器應得到成熟的軟件棧支持，並通過市場檢驗，這樣才能保證USB子係統的可靠性。此外，互操作性也十分必要。因為兩個符合USB規範的設備也未必能一起工作。

 

互操作性在汽車應用中起著重要的作用，互操作性差
，會給用戶滿意度造成負麵影響。USB端口已發展成為汽車的一項重大功能
，從充電

、音樂流媒體到智能手機交互，越來越多的功能使用USB端口。購買汽車時，人們有時更關心是否能夠輕鬆地連接手機和播放音樂
，而不是發動機運轉有多良好。

 

汽車的使用壽命很長，它們不僅需要與當今市場上幾乎每一種智能手機、pingbandiannaohebijibendiannaoshixianhucaozuo，haixuyaoyujinhoujiniantuichudedianzishebeishixianhucaozuo。kaolvdaoputongzhinengshoujimeiliangniangenghuanyici，hucaozuojiubiandegengweizhongyao。

 

此外，就如許多標準一樣，USB PD標準會隨時間推移而演進發展。例如
，當前標準支持具備可編程供電（PPS）功能的Power Delivery 3.0和Quick Charge (QC) 4.0。如果這些規範中的任意一種規範發生變化（實際上USB Type-C規範和PD規範一直處於變化中），汽車可能就不能完全兼容市場上的新型設備。

 

實現高可靠、互操作性的唯一途徑是使用可編程的USB控製器。使用可編程控製器有助於對USB PD協(xie)議(yi)棧(zhan)進(jin)行(xing)升(sheng)級(ji)，使(shi)之(zhi)能(neng)與(yu)最(zui)新(xin)設(she)備(bei)實(shi)現(xian)互(hu)操(cao)作(zuo)。因(yin)為(wei)汽(qi)車(che)有(you)如(ru)此(ci)眾(zhong)多(duo)組(zu)件(jian)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)軟(ruan)件(jian)運(yun)行(xing)，司(si)機(ji)們(men)的(de)習(xi)慣(guan)是(shi)
，這(zhe)些(xie)軟(ruan)件(jian)升(sheng)級(ji)對(dui)車(che)主(zhu)是(shi)透(tou)明(ming)的(de)。因(yin)為(wei)當(dang)一(yi)輛(liang)車(che)進(jin)行(xing)維(wei)護(hu)保(bao)養(yang)時(shi)
，技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)一(yi)般(ban)會(hui)從(cong)升(sheng)級(ji)固(gu)件(jian)開(kai)始(shi)。

 

控製器雖然擁有嵌入式處理器，但它未必具有可編程能力。以固定功能的USB控製器為例
，它不需要編程，銷售價格也較低。作為替代品的可配置控製器，能提供數量有限的
、預先編程的配置選項。

 

固定功能控製器與可配置控製器很適合消費類電子設備（如USB鼠標）等應用。此類應用的產品壽命最多隻有幾年時間，而且產品交互簡單，隻需與數量有限、且明確定義的幾種設備進行互操作（如PC機和筆記本電腦）。

 

由於可編程USBkongzhiqinengrangkaifarenyuanchongfenfahuikongzhiqidegexianggongneng
，weiduozhongshebeidehucaozuohegezhongyonglitigongzuijiatiyan。tongguofankui，kongzhiqinengdongtaitiaozhenghetiaoxiaozishenshezhi，yizhenduijutishebeiyouhuaxingneng。ciwai

，zaiyinruxinbiaozhunhuofashengyiwaiwentideshihou，tongguogujianshengji，zhezhongUSB控製器足以靈活地解決這些問題。這就有助於汽車OEM廠商在車輛的整個使用壽命中確保互操作、質量和可靠性。

 

zhideyitideshi，chongfenfahuizhezhongkongzhiqidegexianggongneng，bingbuxuyaokaifarenyuanzhijieweikongzhiqibiancheng。kaifarenyuanshiyongxianjindekaifagongju
，jiunengdingyikongzhiqidegezhonggongzuomoshi。jiezhe，kaifagongjunengzidongshengchengzhengquedegujian。zhexiegongjuyejianhualegengxinkongzhiqideguocheng。

 

此外，一些USB控製器製造商還負責管理新USB設備的互操作性，為車上USB-C口提供升級用的固件
，以應對規範的變化。汽車OEM廠商也就沒有必要專門安排工程資源來自行從事這方麵的工作。

 

車載USB控製器不同於標準化商品。試想，如果USB鼠標停止工作
，不到10美元就可以更換。但如果車載USB端口停止工作，則需要昂貴的質保維修才能恢複。因此，車載USB控kong製zhi器qi必bi須xu符fu合he更geng高gao標biao準zhun。良liang品pin率lv必bi須xu遠yuan高gao於yu消xiao費fei類lei產chan品pin。汽qi車che應ying用yong的de電dian子zi設she備bei必bi須xu能neng夠gou承cheng受shou更geng高gao的de工gong作zuo溫wen度du。汽qi車che組zu件jian的de保bao修xiu年nian限xian遠yuan遠yuan長chang於yu普pu通tong消xiao費fei類lei電dian子zi產chan品pin。例li如ru，消xiao費fei類lei控kong製zhi器qi的de保bao修xiu年nian限xian可ke能neng很hen短duan，而er汽qi車cheOEM廠商要求的保修年限則超過10年。

 

保障車規級可用性的五項技術

 

設計擁有更大供電能力的USB Type-C子係統，主要挑戰之一是電源需要過壓、過流、ESD和he短duan路lu保bao護hu以yi及ji高gao壓ya柵zha級ji驅qu動dong器qi。此ci外wai，還hai需xu要yao線xian纜lan補bu償chang，以yi保bao障zhang車che上shang信xin號hao通tong過guo長chang線xian纜lan時shi的de信xin號hao質zhi量liang。汽qi車che的de內nei部bu空kong間jian往wang往wang很hen局ju促cu，且qie時shi常chang在zai惡e劣lie的de環huan境jing條tiao件jian下xia工gong作zuo
，為wei了le實shi現xian可ke靠kao運yun行xing，還hai需xu要yao加jia溫wen度du控kong製zhi，控kong製zhi功gong率lv，以yi防fang過guo熱re和he損sun壞huai。此ci外wai，在zai向xiangUSB Type-C過渡的過程中
，OEM廠商需要支持傳統的USB Type-A設備。

 

電路保護：在USB端口的現實使用環境中，USB電路需要防範一係列電氣事件。其中
，最常見的就是靜電放電（ESD）。例如，乘客在塑料椅子上來回挪動或摩擦地毯就會累積靜電電荷。如果他們觸碰暴露在外的USB端口
，就可能破壞車內精密的電子設備，這些設備維修難度大，維修成本高。

 

為了防止ESD，係統需要與屏蔽地連接，這樣就能安全地耗散能量。理想的話，控製器應集成ESD防護功能。通常，8 KV的接觸放電防護和15 KV的空氣放電防護足以保護控製器不會因ESD事件損壞。此外
，也可以在PCB上加裝額外的ESD保護二極管，進一步增強保護。

 

USB端口還需要防範意外的過壓（OV）和過流（OC）qingkuang。guoyaheguoliuchangfashengzaishebeichongdiandeguochengzhong。zaiqidongchongdianshi，shebeihegongdianxitongyaozaidianliuhedianyashangbaochiyizhi。raner
，ruguoxitongtigongcuowudedianyahuodianliu，jiuxuyaochufaguoyabaohu（OVP）或過流保護（OCP）電路
，起到保護設備的作用。

 

此外
，短路保護也是必要的。在將線纜按一定角度拉拽時，Vbus引腳可能與某一個數字引腳瞬間短路。Vbus的電壓可高達20V，而數字引腳僅能承受5V
，這種短路會損壞相關的端口。與Type-A端口相比，短路保護對於USB Type-C端口顯得更加重要。這是因為
，Type-C端口在更緊湊的空間中塞入了22個引腳（而Type-A為9個），從而提高了Vbus的短路概率。

 

理想情況下，USB控製器應集成短路保護功能。短路保護可以重置

，這樣發生短路時不會損壞控製器。之後可以重置控製器以恢複該Type-C口(kou)功(gong)能(neng)，這(zhe)樣(yang)短(duan)路(lu)事(shi)件(jian)就(jiu)成(cheng)為(wei)暫(zan)時(shi)的(de)可(ke)恢(hui)複(fu)事(shi)件(jian)
，不(bu)必(bi)召(zhao)回(hui)車(che)輛(liang)入(ru)店(dian)維(wei)修(xiu)。如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)集(ji)成(cheng)短(duan)路(lu)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)，控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)能(neng)被(bei)燒(shao)毀(hui)
，導(dao)致(zhi)嚴(yan)重(zhong)問(wen)題(ti)。

 

高壓柵級驅動：為了支持後向兼容
，USB Type-C接口的默認電壓為5V。在供電電壓確定後，控製器可能需要從5V FET切換到20V FET
，以支持更高功率的供電。如果該功能未集成在控製器中，則需要外加電路來驅動更大功率的FET，以便為Vbus提供20V電壓。

 

線纜補償：為方便起見
，USB端口可能布局在車內各處，比如中控台、後座間的中央儲物盒和/或雜物箱內。對於不單用於供電的USB端口（如數據功能）
，USB控製器還很有可能用於信息娛樂係統。將儲物盒中的端口連接到信息娛樂係統可能需要長達10英尺的USB線纜。使用如此長的線纜可能造成嚴重的壓降，對信號質量和可靠性造成不利影響。

 

為(wei)了(le)保(bao)持(chi)長(chang)線(xian)纜(lan)中(zhong)的(de)信(xin)號(hao)質(zhi)量(liang)處(chu)於(yu)可(ke)靠(kao)的(de)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)內(nei)，控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)施(shi)加(jia)補(bu)償(chang)。簡(jian)單(dan)來(lai)說(shuo)，控(kong)製(zhi)器(qi)內(nei)的(de)固(gu)件(jian)可(ke)調(tiao)節(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，以(yi)補(bu)償(chang)超(chao)長(chang)線(xian)纜(lan)產(chan)生(sheng)的(de)壓(ya)差(cha)。這(zhe)種(zhong)補(bu)償(chang)可(ke)根(gen)據(ju)使(shi)用(yong)的(de)線(xian)纜(lan)長(chang)度(du)采(cai)取(qu)固(gu)定(ding)數(shu)值(zhi)
，控(kong)製(zhi)器(qi)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)定(ding)期(qi)對(dui)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)監(jian)控(kong)、修改補償調節量，進行動態壓降補償。

 

過溫功率控製：采用USB Type-C的另一挑戰是如何解決高達100W功率充電時產生大量熱的問題。過熱可能造成一係列問題
，包括引發火災和/或損壞正在充電的設備。臨近的、對熱比較敏感的組件，如信息娛樂係統或導航係統的電子設備
，也可能受到不利影響。過大的熱耗散甚至可能破壞USB端口本身，需要昂貴的維護或保修。

 

guowengonglvkongzhishifangzhiguoredeyouxiaofangfa。buzhizaiminganzujianpangbianderechuanganqizaijiejinreyuzhishihuijingshikongzhiqi。kongzhiqisuijijiangdichongdiangonglv。jiangdigonglvhou，farejianshao，xitongbiankeyilengquexialai。yucitongshi，lianjiedeshebeirengranzaichongdian，zhishisudujiangdi。zhezhonganquangongnengyingjichengzaikongzhiqideweichuliqizhong
，bingduiyonghutouming。

 

支持傳統的USB Type-A口：雖然新設備將采用USB Type-C接口
，但是使用USB Type-A接口的設備仍有數十億之多。汽車OEM廠商需要提供Type-A端口，為這些傳統設備提供支持。不必設計兩個單獨的USB子係統，現有的控製器能同時支持Type-A端口和Type-C端口（參見圖3）。這類一體化控製器在簡化係統設計的同時，最大限度地降低了總BOM成本。

 

圖3  賽普拉斯提供的CCG3PA等混合控製器同時支持Type-C端口和Type-A端口，因此用戶既能連接Type-C端口設備並實現快速充電，也能連接他們的傳統Type-A端口設備並為其充電。

 

為了確保電源的可靠性，需要實現上述所有功能。這樣會顯著增加車載USB Type-C與PD子係統的成本和空間占用。麵向汽車市場的USB控製器將這些功能和其他功能集成在一起（參見圖4）
，確保全部組件都達到車規要求，可以很好地協同工作
、降低成本
、簡化設計。減少需要裝配的元件數量還可以減少潛在的故障點，提高可靠性。

圖4. 麵向汽車市場設計的USB Type-C控製器，比如這裏顯示的賽普拉斯CCG3PA，通過集成必要組件，確保高可靠供電
、降低成本、簡化設計
，同時在車輛的使用壽命中保持良好的互操作性。

 

賽普拉斯是曆代USB技術的領先供應商。汽車OEM廠商使用EZ-PD USB-C CCG3PA控製器，能把Power Delivery 3.0和Quick Charge 4.0的全部優勢提供給自己的客戶。CCG3PA評估套件可為USB Type-C電源適配器/充電器和充電寶設計提供全麵的支持
，包括固件生成。

 

隨著USB PD迅速成為汽車的標配功能，能與新一代便攜式設備互操作成為關鍵。汽車需要支持USB Type-C接口。從USB Type-A升級到USB Type-C還hai能neng支zhi持chi快kuai速su充chong電dian等deng新xin的de功gong能neng。為wei了le在zai車che輛liang的de整zheng個ge使shi用yong壽shou命ming周zhou期qi中zhong保bao持chi高gao質zhi量liang和he互hu操cao作zuo性xing，設she計ji人ren員yuan需xu要yao足zu夠gou靈ling活huo的de可ke編bian程cheng控kong製zhi器qi，以yi適shi應yingUSB規範變化
、並與基於新規範的未來產品進行互操作。通過將關鍵功能集成到控製器中，為內部電子設備提供保護，OEM廠商既能保障可靠性
，也能最大限度地降低係統成本。