汽車級(jí)單路 3A USB Type-C 充電端口芯片 TPS25854-Q1 和 TPS25855-Q1 深度解析

在當(dāng)今的汽車電子領(lǐng)域，USB 充電端口的需求日益增長(zhǎng)。無論是為車載媒體中心、手機(jī)還是其他便攜式設(shè)備充電，一個(gè)高效、穩(wěn)定且安全的 USB 充電解決方案至關(guān)重要。德州儀器（TI）的 TPS25854-Q1 和 TPS25855-Q1 單路 3A USB Type-C 充電端口芯片，就是這樣一款為汽車應(yīng)用量身定制的優(yōu)秀產(chǎn)品。今天咱們就來深入剖析一下這兩款芯片。

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芯片特性亮點(diǎn)

汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與 EMI 優(yōu)化

這兩款芯片符合面向汽車應(yīng)用的 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，溫度等級(jí) 1 涵蓋了 -40°C 至 +125°C 的寬溫度范圍，HBM ESD 分類等級(jí) H2 和 CDM ESD 分類等級(jí) C5 則保證了芯片在復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠性。同時(shí)，針對(duì)超低 EMI 要求進(jìn)行了優(yōu)化，符合 CISPR25 5 類標(biāo)準(zhǔn)，采用 HotRod? 封裝可最大限度減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴，展頻技術(shù)可降低峰值發(fā)射，這對(duì)于汽車內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境來說非常關(guān)鍵。

高效同步降壓穩(wěn)壓器

芯片集成了同步降壓穩(wěn)壓器，在 400 KHz 下具有高效率。當(dāng) $V{IN}=12 ~V$、$I{BUS}=3 ~A$ 時(shí)，效率可達(dá) 96%。其 18mΩ/10mΩ 低 $R_{DS(ON)}$ 降壓穩(wěn)壓器 MOSFET，工作電壓范圍為 5.5V 至 26V，還可承受 36V 輸入。TPS25855-Q1 的頻率可在 200kHz 至 3MHz 調(diào)節(jié)，TPS25854-Q1 則可在 200kHz 至 800kHz 調(diào)節(jié)，這種靈活的頻率調(diào)節(jié)能力讓工程師可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。

精準(zhǔn)的 USB 控制與保護(hù)

芯片提供 5.1V 固定輸出電壓，內(nèi)部電源路徑采用 7mΩ/7mΩ 低 $R_{DS(ON)}$ 內(nèi)部 USB 功率 MOSFET，USB 端口具有高精度可編程電流限制，在 3.4A 下精度為 ±10%。此外，還具備 USB 數(shù)據(jù)線壓降補(bǔ)償功能，可編程最高達(dá) 400mV，符合 USB-IF 標(biāo)準(zhǔn) Type-C 1.3 版。同時(shí)，芯片支持 USB 電纜極性保護(hù)、自動(dòng) DCP 模式等多種功能，滿足不同的充電需求。

應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

這兩款芯片主要應(yīng)用于汽車 USB 媒體中心、汽車 USB 充電端口以及售后市場(chǎng) USB 充電器等場(chǎng)景。在汽車內(nèi)，它們可以為各種設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的充電解決方案，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

詳細(xì)技術(shù)分析

功能框圖與工作原理

TPS2585x-Q1 集成了單片、同步、整流、降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器和 USB 限流開關(guān)，通過控制高側(cè)（HS）和低側(cè)（LS）NMOS 開關(guān)的占空比來提供穩(wěn)定的輸出電壓。在高側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，SW 引腳電壓上升，電感電流增加；高側(cè)開關(guān)關(guān)閉后，低側(cè)開關(guān)導(dǎo)通，電感電流放電。通過調(diào)節(jié)占空比，可維持輸出電壓的穩(wěn)定。

關(guān)鍵特性詳解

1. 電源管理：芯片具有電源關(guān)閉或欠壓鎖定功能，當(dāng) IN 端子電壓低于 VUVLO 時(shí)，設(shè)備進(jìn)入掉電模式；當(dāng) IN 電壓高于 VUVLO 閾值時(shí)，根據(jù) EN/UVLO 電壓進(jìn)入睡眠或活動(dòng)模式。此外，還具備輸入過壓保護(hù)功能，當(dāng)輸入過壓時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器的 HSFET/LSFET 立即關(guān)閉，待電壓恢復(fù)正常后繼續(xù)工作。
2. 頻率調(diào)節(jié)：通過 FREQ/SYNC 引腳的電阻 $R_{FREQ}$ 可對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行編程。同時(shí)，該引腳還可用于將內(nèi)部振蕩器同步到外部時(shí)鐘，方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行同步。不過，需要注意的是，過高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致芯片功耗增加，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。
3. 電流限制與短路保護(hù)：芯片具備精密可編程電流限制和逐周期電流限制，可有效保護(hù) USB 端口免受極端過載情況的影響。當(dāng)發(fā)生過載時(shí)，芯片會(huì)將輸出電流限制在設(shè)定值，并根據(jù)不同的過載情況采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如進(jìn)入打嗝模式等。
4. 熱管理：TS 輸入引腳允許用戶進(jìn)行可編程熱保護(hù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)降低充電電流或進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)，以保護(hù)芯片和設(shè)備的安全。此外，芯片還具有內(nèi)部過熱關(guān)斷閾值 TSD，當(dāng)溫度超過該閾值時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，待溫度下降后重新啟動(dòng)。

設(shè)計(jì)與應(yīng)用建議

元件選擇

在設(shè)計(jì)使用 TPS2585x-Q1 的電路時(shí)，需要仔細(xì)選擇外部元件。例如，電感的選擇需要考慮電感值、飽和電流和額定電流等參數(shù)，以確保在不同負(fù)載情況下都能穩(wěn)定工作。輸出電容的選擇則直接影響輸出電壓的紋波和負(fù)載瞬態(tài)性能，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

布局注意事項(xiàng)

PCB 布局對(duì)于芯片的性能至關(guān)重要。輸入旁路電容應(yīng)盡可能靠近 IN 和 PGND 引腳，以提供高頻脈沖電流的主要路徑。SW 引腳連接電感的線路應(yīng)盡可能短，以減少寄生電阻和電感。同時(shí)，應(yīng)使用接地平面進(jìn)行噪聲屏蔽和散熱，確保芯片在工作過程中保持穩(wěn)定的性能。

總結(jié)

TPS25854-Q1 和 TPS25855-Q1 是兩款功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的汽車級(jí) USB 充電端口芯片。它們具備豐富的功能和保護(hù)特性，適用于各種汽車應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇外部元件和進(jìn)行 PCB 布局，以充分發(fā)揮芯片的性能優(yōu)勢(shì)。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用這兩款芯片。大家在實(shí)際應(yīng)用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。