USB Type-C 标准的汽车系统供电

USB Type-C新标准中最令人激动的一个方面是其电力传输部分。通过USB供电，器件可以成功获得更多的电力，从而实现以前无法实现的功能。手机、平板电脑和笔记本电脑等便携式设备将能够更快地充电。显示器等高功率设备将能够通过相同的电缆获得电源和数据。

器件和主机的数量仍然相对较少，但正不断增加。随着USB Type-C器件的普及，消费者也希望在家中、移动办公时使用它们，尤其是在汽车上。

汽车系统有一套独特的要求和设计障碍，超出了USB供电的要求。表1所示为汽车系统中的典型电压。

表1 汽车系统中的典型电压

状态

 

电压

 

持续时长

 

汽车未运行（标称）

 

12V

 

持久

 

汽车正在运行（标称）

 

13V-14.5V

 

持久

 

半拖车未运行（标称）

 

24V

 

持久

 

半拖车正在运行（标称）

 

26V-29V

 

持久

 

12V冷启动

 

3V-6V

 

15ms

 

12V负载突降瞬变

 

87V

 

400ms

 

24 V负载突降瞬变

 

174V

 

350ms

 

汽车系统将对输入使用保护和/或调节，以限制负载的电压。该电压通常限于高出卡车电压或为电池电压的两倍，但低于40V。输入保护功能可使输入电压介于3-40V之间。

USB Type-A器件仅在5V条件下工作，因此降压转换器可以创建充电或通信端口。然而，在起动条件下，USB Type-A系统不起作用。过去，这并不是一个很大的问题，因为车辆驾驶员只将车辆起动一次，而且起动只需要很短的时间。但是随着停止起动怠速的采用，这种中断逐渐成为了一个严重的问题。想像您坐在车中听着手机播放的音乐，每次车辆起动和停止时，音乐就会中断。USB供电允许电压介于5V-20V之间，为负载提供适当的电压是一个真正存在的问题。

简单的降压转换器不再能够执行电源转换。在特定的输入和输出电压范围内，一个简单的升压转换器也不够。汽车系统设计人员需要一台可以根据工况降压或升压的转换器。

一些拓扑结构符合这些标准，包括单端初级电感转换器（SEPIC）、反激式或非反向降压-升压。非反向降压-升压类别还包括双开关或四开关的选项。图1所示为每个拓扑的简化原理图。

 

 

图1 非反向降压-升压拓扑结构的简化原理图

这些拓扑中的每一个都包含权衡，如表2所列。

表2选择非反向降压-升压拓扑结构时的权衡

状态

 

电压

 

持续时长

 

汽车未运行（标称）

 

12V

 

持久

 

汽车正在运行（标称）

 

13V-14.5V

 

持久

 

半拖车未运行（标称）

 

24V

 

持久

 

半拖车正在运行（标称）

 

26V-29V

 

持久

 

12V冷启动

 

3V-6V

 

15ms

 

12V负载突降瞬变

 

87V

 

400ms

 

24 V负载突降瞬变

 

174V

 

350ms

 

SEPIC和反激式转换器所具有的性能高度相似；然而，SEPIC的钳位输入电压和现成的电感使其对汽车应用更具吸引力。双开关降压-升压在功率上受限，其范围与SEPIC类似，但对双开关降压-升压控制器来说，可用选项很少。因此，只能将SEPIC用于低功耗应用（5-50W），而将四开关降压-升压用于高功率应用（30-100W）。

汽车环境中的许多应用可以从USB供电中受益，其中包括：

车辆（5, 9, 15或20V）中可达100W的充电端口。

从便携式设备充电和接受数据的信息娱乐端口。

信息娱乐输出端口——例如，连接到车辆后部监视器并通过同一根电缆提供电源和数据的端口。

可从汽车提供电源和数据的诊断端口。