摘要：

      哪有白來的充電方便，都是工程師在幕后想了很多辦法。面向未來,，不支持USB Type-C接口的汽車不要買,。

隨著便攜式電子設(shè)備的廣泛普及，用戶在開車時(shí)為自己的設(shè)備充電變得越來越頻繁,。USB供電功能讓設(shè)備充電變得極為便利。USB的高數(shù)據(jù)率也讓新一代信息娛樂系統(tǒng)支持豐富多樣的車載功能，如音頻播放,、屏幕和應(yīng)用共享，以及數(shù)據(jù)連接等等,。

　　傳統(tǒng)USB Type-A接口已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車OEM廠商的各種車型,，其供電能力最高為7.5W(5V電壓，最高1.5A電流),。隨著USB Type-C接口在PC機(jī),、智能手機(jī)和其它便攜式電子設(shè)備上快速普及，USB Type-A接口正迅速被淘汰,。USB Type-C半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)出貨量到2022年將超過9億片(來源：Gartner 2018年報(bào)告和賽普拉斯估計(jì)),。

　　與USB Type-A接口相比，USB Type-C接口結(jié)構(gòu)更緊湊,，具備通用連接,，可正反插，線纜插拔無方向性限制(Type-C線纜兩端插頭完全相同),。此外,，它還能顯著提高輸出功率，最高可達(dá)100W(20V電壓,，最高5A電流),。由于能夠提供遠(yuǎn)高于7.5W的功率，它能實(shí)現(xiàn)極富吸引力的新使用模式,，可以快速充電,，能夠同時(shí)為車內(nèi)不斷增加的有源設(shè)備充電,，如平板電腦、筆記本電腦乃至電動(dòng)剃須刀(參見圖1),。

圖1.為各種設(shè)備充電所需的功率以及能夠滿足要求的USB規(guī)范,。

　　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(yuǎn)不止提高供電端口電壓和電流這么簡單,，它還要求采用不同于跟商品級(jí)和消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品USB口的設(shè)計(jì)方法,。在本文中，我們將探討如何在車輛內(nèi)使用USB,，USB Type-C與PD(Power Delivery)控制器應(yīng)具備的功能,，互操作性的影響，以及USB Type-C設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要因素,。

Power Delivery(協(xié)商供電)的妙處

　　我們所處時(shí)代的節(jié)奏在不斷加快,，我們需要能更快、更頻繁地為我們的設(shè)備充電,。如果擁有100W供電能力,，就能在約15分鐘內(nèi)同時(shí)為筆記本電腦和手機(jī)充滿電。

　　提高供電能力是車載USB的關(guān)鍵,。雖然用戶可以使用Type-A轉(zhuǎn) USB-C的適配器,，通過車上的老端口為新手機(jī)充電，但是這樣做不能充分發(fā)揮USB Type-C接口的優(yōu)勢(shì),。具有USB Type-C接口的新一代手機(jī)雖然具備快充能力，卻受制于USB Type-A接口的7.5W供電能力,。顯然,，全功率供電將對(duì)客戶滿意度和車型差異化優(yōu)勢(shì)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(gè)USB Type-C端口提供全功率100W電力,。為了在不嚴(yán)重影響充電時(shí)間或可靠性的前提下降低成本，可在多個(gè)端口間共享100W供電功率,，實(shí)現(xiàn)所謂的動(dòng)態(tài)負(fù)載共享,。在總功率100W的情況下，配合相應(yīng)的固件,，當(dāng)有第二個(gè)設(shè)備插入時(shí),，USB PD控制器可進(jìn)行智能的分配，將一個(gè)USB Type-C端口的功率降低至60W,，而第二個(gè)插入的設(shè)備可以獲得40W功率(參見圖2),。

圖2. 為降低成本，可在多個(gè)端口間共享100W供電功率,，即所謂的動(dòng)態(tài)負(fù)載共享,。A)單個(gè)設(shè)備以100W功率充電;B)在第二部設(shè)備插入后,，兩部設(shè)備可共享端口提供的功率。

USB Type-C與PD控制器

　　為處理USB Type-C和Power Delivery(PD)協(xié)議的復(fù)雜性,，PD控制器集成了帶有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制造商提供,，要么是一個(gè)可下載文件,，要么是由開發(fā)環(huán)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(rèn)證只是最低要求,。控制器應(yīng)得到成熟的軟件棧支持,，并通過市場(chǎng)檢驗(yàn),，這樣才能保證USB子系統(tǒng)的可靠性。此外,，互操作性也十分必要,。因?yàn)閮蓚€(gè)符合USB規(guī)范的設(shè)備也未必能一起工作。

　　互操作性在汽車應(yīng)用中起著重要的作用,，互操作性差,，會(huì)給用戶滿意度造成負(fù)面影響。USB端口已發(fā)展成為汽車的一項(xiàng)重大功能,，從充電,、音樂流媒體到智能手機(jī)交互，越來越多的功能使用USB端口,。購買汽車時(shí),，人們有時(shí)更關(guān)心是否能夠輕松地連接手機(jī)和播放音樂，而不是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)有多良好,。

　　汽車的使用壽命很長,，它們不僅需要與當(dāng)今市場(chǎng)上幾乎每一種智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦實(shí)現(xiàn)互操作,，還需要與今后幾年推出的電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作,。考慮到普通智能手機(jī)每兩年更換一次,，互操作就變得更為重要,。

　　此外，就如許多標(biāo)準(zhǔn)一樣,，USB PD標(biāo)準(zhǔn)會(huì)隨時(shí)間推移而演進(jìn)發(fā)展,。例如，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)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(guī)范中的任意一種規(guī)范發(fā)生變化(實(shí)際上USB Type-C規(guī)范和PD規(guī)范一直處于變化中),，汽車可能就不能完全兼容市場(chǎng)上的新型設(shè)備,。

　　實(shí)現(xiàn)高可靠、互操作性的唯一途徑是使用可編程的USB控制器,。使用可編程控制器有助于對(duì)USB PD協(xié)議棧進(jìn)行升級(jí),，使之能與最新設(shè)備實(shí)現(xiàn)互操作。因?yàn)槠囉腥绱吮姸嘟M件需要使用軟件運(yùn)行,，司機(jī)們的習(xí)慣是,，這些軟件升級(jí)對(duì)車主是透明的。因?yàn)楫?dāng)一輛車進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時(shí),，技術(shù)人員一般會(huì)從升級(jí)固件開始,。

　　控制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控制器為例,，它不需要編程，銷售價(jià)格也較低,。作為替代品的可配置控制器,，能提供數(shù)量有限的、預(yù)先編程的配置選項(xiàng),。

　　固定功能控制器與可配置控制器很適合消費(fèi)類電子設(shè)備(如USB鼠標(biāo))等應(yīng)用,。此類應(yīng)用的產(chǎn)品壽命最多只有幾年時(shí)間，而且產(chǎn)品交互簡單,，只需與數(shù)量有限,、且明確定義的幾種設(shè)備進(jìn)行互操作(如PC機(jī)和筆記本電腦)。

　　由于可編程USB控制器能讓開發(fā)人員充分發(fā)揮控制器的各項(xiàng)功能,，為多種設(shè)備的互操作和各種用例提供最佳體驗(yàn),。通過反饋，控制器能動(dòng)態(tài)調(diào)整和調(diào)校自身設(shè)置,，以針對(duì)具體設(shè)備優(yōu)化性能。此外,，在引入新標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)生意外問題的時(shí)候,，通過固件升級(jí)，這種USB控制器足以靈活地解決這些問題,。這就有助于汽車OEM廠商在車輛的整個(gè)使用壽命中確?；ゲ僮鳌①|(zhì)量和可靠性,。

　　值得一提的是,，充分發(fā)揮這種控制器的各項(xiàng)功能，并不需要開發(fā)人員直接為控制器編程,。開發(fā)人員使用先進(jìn)的開發(fā)工具,，就能定義控制器的各種工作模式,。接著，開發(fā)工具能自動(dòng)生成正確的固件,。這些工具也簡化了更新控制器的過程,。

　　此外，一些USB控制器制造商還負(fù)責(zé)管理新USB設(shè)備的互操作性,，為車上USB-C口提供升級(jí)用的固件,，以應(yīng)對(duì)規(guī)范的變化。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面的工作,。

　　車載USB控制器不同于標(biāo)準(zhǔn)化商品,。試想，如果USB鼠標(biāo)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(zhì)保維修才能恢復(fù),。因此,，車載USB控制器必須符合更高標(biāo)準(zhǔn)。良品率必須遠(yuǎn)高于消費(fèi)類產(chǎn)品,。汽車應(yīng)用的電子設(shè)備必須能夠承受更高的工作溫度,。汽車組件的保修年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于普通消費(fèi)類電子產(chǎn)品。例如,，消費(fèi)類控制器的保修年限可能很短,，而汽車OEM廠商要求的保修年限則超過10年。

保障車規(guī)級(jí)可用性的五項(xiàng)技術(shù)

　　設(shè)計(jì)擁有更大供電能力的USB Type-C子系統(tǒng),，主要挑戰(zhàn)之一是電源需要過壓,、過流、ESD和短路保護(hù)以及高壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器,。此外,，還需要線纜補(bǔ)償，以保障車上信號(hào)通過長線纜時(shí)的信號(hào)質(zhì)量,。汽車的內(nèi)部空間往往很局促,，且時(shí)常在惡劣的環(huán)境條件下工作，為了實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行,，還需要加溫度控制,，控制功率，以防過熱和損壞,。此外,，在向USB Type-C過渡的過程中，OEM廠商需要支持傳統(tǒng)的USB Type-A設(shè)備。

　　電路保護(hù)：在USB端口的現(xiàn)實(shí)使用環(huán)境中,，USB電路需要防范一系列電氣事件,。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(dòng)或摩擦地毯就會(huì)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(nèi)精密的電子設(shè)備,，這些設(shè)備維修難度大，維修成本高,。

　　為了防止ESD,，系統(tǒng)需要與屏蔽地連接，這樣就能安全地耗散能量,。理想的話,，控制器應(yīng)集成ESD防護(hù)功能。通常,，8 KV的接觸放電防護(hù)和15 KV的空氣放電防護(hù)足以保護(hù)控制器不會(huì)因ESD事件損壞,。此外，也可以在PCB上加裝額外的ESD保護(hù)二極管,，進(jìn)一步增強(qiáng)保護(hù),。

　　USB端口還需要防范意外的過壓(OV)和過流(OC)情況。過壓和過流常發(fā)生在設(shè)備充電的過程中,。在啟動(dòng)充電時(shí),，設(shè)備和供電系統(tǒng)要在電流和電壓上保持一致。然而,，如果系統(tǒng)提供錯(cuò)誤的電壓或電流,，就需要觸發(fā)過壓保護(hù)(OVP)或過流保護(hù)(OCP)電路，起到保護(hù)設(shè)備的作用,。

　　此外,，短路保護(hù)也是必要的。在將線纜按一定角度拉拽時(shí),，Vbus引腳可能與某一個(gè)數(shù)字引腳瞬間短路,。Vbus的電壓可高達(dá)20V，而數(shù)字引腳僅能承受5V,，這種短路會(huì)損壞相關(guān)的端口,。與Type-A端口相比,，短路保護(hù)對(duì)于USB Type-C端口顯得更加重要,。這是因?yàn)椋琓ype-C端口在更緊湊的空間中塞入了22個(gè)引腳(而Type-A為9個(gè))，從而提高了Vbus的短路概率,。

　　理想情況下,，USB控制器應(yīng)集成短路保護(hù)功能。短路保護(hù)可以重置,，這樣發(fā)生短路時(shí)不會(huì)損壞控制器,。之后可以重置控制器以恢復(fù)該Type-C口功能，這樣短路事件就成為暫時(shí)的可恢復(fù)事件,，不必召回車輛入店維修,。如果沒有集成短路保護(hù)功能，控制器可能被燒毀,，導(dǎo)致嚴(yán)重問題,。

　　高壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)：為了支持后向兼容，USB Type-C接口的默認(rèn)電壓為5V,。在供電電壓確定后,，控制器可能需要從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制器中,，則需要外加電路來驅(qū)動(dòng)更大功率的FET，以便為Vbus提供20V電壓,。

　　線纜補(bǔ)償：為方便起見,，USB端口可能布局在車內(nèi)各處，比如中控臺(tái),、后座間的中央儲(chǔ)物盒和/或雜物箱內(nèi),。對(duì)于不單用于供電的USB端口(如數(shù)據(jù)功能)，USB控制器還很有可能用于信息娛樂系統(tǒng),。將儲(chǔ)物盒中的端口連接到信息娛樂系統(tǒng)可能需要長達(dá)10英尺的USB線纜,。使用如此長的線纜可能造成嚴(yán)重的壓降，對(duì)信號(hào)質(zhì)量和可靠性造成不利影響,。

　　為了保持長線纜中的信號(hào)質(zhì)量處于可靠的工作范圍內(nèi),，控制器可以施加補(bǔ)償。簡單來說,，控制器內(nèi)的固件可調(diào)節(jié)輸出電壓,，以補(bǔ)償超長線纜產(chǎn)生的壓差。這種補(bǔ)償可根據(jù)使用的線纜長度采取固定數(shù)值,，控制器也可以通過定期對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控,、修改補(bǔ)償調(diào)節(jié)量，進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓降補(bǔ)償,。

　　過溫功率控制：采用USB Type-C的另一挑戰(zhàn)是如何解決高達(dá)100W功率充電時(shí)產(chǎn)生大量熱的問題,。過熱可能造成一系列問題，包括引發(fā)火災(zāi)和/或損壞正在充電的設(shè)備。臨近的,、對(duì)熱比較敏感的組件,，如信息娛樂系統(tǒng)或?qū)Ш较到y(tǒng)的電子設(shè)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(hù)或保修。

　　過溫功率控制是防止過熱的有效方法,。布置在敏感組件旁邊的熱傳感器在接近熱閾值時(shí)會(huì)警示控制器,。控制器隨即降低充電功率,。降低功率后,，發(fā)熱減少，系統(tǒng)便可以冷卻下來,。與此同時(shí),，連接的設(shè)備仍然在充電，只是速度降低,。這種安全功能應(yīng)集成在控制器的微處理器中,，并對(duì)用戶透明。

　　支持傳統(tǒng)的USB Type-A口：雖然新設(shè)備將采用USB Type-C接口,，但是使用USB Type-A接口的設(shè)備仍有數(shù)十億之多,。汽車OEM廠商需要提供Type-A端口，為這些傳統(tǒng)設(shè)備提供支持,。不必設(shè)計(jì)兩個(gè)單獨(dú)的USB子系統(tǒng),，現(xiàn)有的控制器能同時(shí)支持Type-A端口和Type-C端口(參見圖3)。這類一體化控制器在簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí),，最大限度地降低了總BOM成本,。

圖3 賽普拉斯提供的CCG3PA等混合控制器同時(shí)支持Type-C端口和Type-A端口，因此用戶既能連接Type-C端口設(shè)備并實(shí)現(xiàn)快速充電,，也能連接他們的傳統(tǒng)Type-A端口設(shè)備并為其充電,。

　　為了確保電源的可靠性，需要實(shí)現(xiàn)上述所有功能,。這樣會(huì)顯著增加車載USB Type-C與PD子系統(tǒng)的成本和空間占用,。面向汽車市場(chǎng)的USB控制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(dá)到車規(guī)要求,，可以很好地協(xié)同工作,、降低成本、簡化設(shè)計(jì),。減少需要裝配的元件數(shù)量還可以減少潛在的故障點(diǎn),，提高可靠性,。

圖4. 面向汽車市場(chǎng)設(shè)計(jì)的USB Type-C控制器，比如這里顯示的賽普拉斯CCG3PA,，通過集成必要組件，確保高可靠供電,、降低成本,、簡化設(shè)計(jì)，同時(shí)在車輛的使用壽命中保持良好的互操作性,。

　　賽普拉斯是歷代USB技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商,。汽車OEM廠商使用EZ-PD USB-C CCG3PA控制器，能把Power Delivery 3.0和Quick Charge 4.0的全部優(yōu)勢(shì)提供給自己的客戶,。CCG3PA評(píng)估套件可為USB Type-C電源適配器/充電器和充電寶設(shè)計(jì)提供全面的支持,，包括固件生成。

　　隨著USB PD迅速成為汽車的標(biāo)配功能,，能與新一代便攜式設(shè)備互操作成為關(guān)鍵,。汽車需要支持USB Type-C接口。從USB Type-A升級(jí)到USB Type-C還能支持快速充電等新的功能,。為了在車輛的整個(gè)使用壽命周期中保持高質(zhì)量和互操作性,，設(shè)計(jì)人員需要足夠靈活的可編程控制器，以適應(yīng)USB規(guī)范變化,、并與基于新規(guī)范的未來產(chǎn)品進(jìn)行互操作,。通過將關(guān)鍵功能集成到控制器中，為內(nèi)部電子設(shè)備提供保護(hù),，OEM廠商既能保障可靠性,，也能最大限度地降低系統(tǒng)成本。