汽車級 USB Type-C 電力輸送控制器 TPS25762-Q1 深度解析

在汽車電子領域，USB 充電和數據傳輸需求日益增長，對 USB 電力輸送控制器的性能和可靠性提出了更高要求。TPS25762-Q1 作為一款汽車級 USB Type-C 電力輸送控制器，憑借其卓越的特性和廣泛的應用場景，成為眾多工程師的首選。本文將深入剖析 TPS25762-Q1 的各項特性、應用場景以及設計要點，為電子工程師提供全面的參考。

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特性亮點

符合 AEC-Q100 標準

TPS25762-Q1 滿足 AEC-Q100 標準，具備出色的可靠性和穩定性。其器件溫度等級 1 支持 -40°C 至 +125°C 的環境工作溫度范圍，能夠適應各種惡劣的汽車環境。同時，器件 HBM ESD 分類等級 2 和 CDM ESD 分類等級 C2b 提供了良好的靜電防護能力，增強型連接器引腳 ESD 保護功能進一步提升了器件的抗干擾能力。

強大的 USB 電力輸送支持

該控制器具有可編程電源 (PPS) 支持，寬 VIN 范圍為 5.5V 至 18V（最大 40V），集成降壓/升壓轉換器可支持高達 65W 的 USB PD 輸出功率。VBUS 輸出范圍為 3.3V 至 21V，步長為 ±20mV，IBUS 輸出范圍為 0A 至 3A，電流限制步長為 ±50mA，能夠滿足不同設備的充電需求。此外，VBUS 短接 $V{BAT}$ 和接地保護、$V{BUS}$ 電纜壓降補償、MFi 過流保護等功能，確保了充電過程的安全和穩定。

豐富的端口配置選項

TPS25762-Q1 提供了多種端口配置選項，包括 1 個 USB-PD 端口（TPS25762-Q1）、1 個支持 DisplayPort over USB-C? (DP 交替模式) 的 USB-PD 端口（TPS25763-Q1）以及 2 個 USB-PD 端口（TPS25772-Q1），可根據不同的應用需求進行靈活選擇。

符合 USB 要求

該控制器符合 USB Type-C? 電力輸送 3.1 版要求，通過 USB–IF PPS 認證（TPS25762-Q1 TID:9509，TPS25772-Q1 TID:9161），確保了與各種 USB 設備的兼容性。同時，支持 USB 電纜極性檢測、電池充電規范 v1.2 (BC1.2)、DCP、傳統快速充電等多種充電模式，滿足不同用戶的充電需求。

應用場景

TPS25762-Q1 適用于多種汽車類 USB 充電和數據傳輸應用，如汽車媒體中心、汽車音響主機、汽車后座娛樂系統等。在這些應用中，TPS25762-Q1 能夠為 USB 設備提供穩定、高效的電力輸送，同時確保數據傳輸的可靠性。

詳細說明

器件組成

TPS25762-Q1 包含七個子塊：USB-PD 控制器、Type-C 電纜插拔和方向檢測電路、USB 端點、USB 電池充電規范版本 1.2 (BC1.2) 檢測電路、數字內核、器件電源管理和監控電路以及帶 4 個集成電源開關的降壓/升壓轉換器。這些子塊協同工作，實現了 USB-PD 協議的物理層 (PHY) 功能、電纜插拔和方向檢測、USB 端點通信、電池充電檢測以及電源管理和監控等功能。

降壓/升壓穩壓器運行

TPS25762-Q1 采用固定頻率、電流模式控制降壓/升壓轉換器，以強制連續導通模式 (CCM) 運行。根據輸入電壓和輸出電壓的關系，轉換器可在降壓、降壓轉換、升壓轉換和升壓四種工作區域之間切換，確保在不同的輸入輸出條件下都能實現高效的功率轉換。

開關頻率和抖動

PWM 振蕩器頻率 $(f{sw})$ 可由固件通過應用配置 GUI 進行編程，提供 300kHz、400kHz 和 450kHz 三種標稱設置。頻率抖動功能可由固件啟用，通過三角波形調制使標稱振蕩器頻率以 ±FS${SS}$（約 ±10%）進行抖動，分散開關產生的頻譜峰值，降低峰值諧波水平，簡化 EMI 濾波器設計。

電源保護

TPS25762-Q1 具備完善的電源保護功能，包括 $V{IN}$ 過壓保護、負載突降保護、雙電池保護、反向電池保護等。當 $V{IN}$ 超過大約 19V 時，輸入過壓保護電路會關閉開關轉換器，保護動力總成免受損壞。

反饋路徑和補償

該控制器具有可編程電壓反饋路徑和可編程平均電流反饋路徑，可將開關轉換器提供的平均電流限制到 USB 電纜。內部補償功能確保了系統的穩定性和可靠性，總體斜率補償和環路補償根據電感和電容值進行固定設置。

輸出電壓調節和電纜壓降補償

降壓/升壓輸出電壓在 CSN/VBUS 引腳處進行調節，通過 12 位數模轉換器 VDAC 可實現 ±20mV 階躍電壓調整。電纜壓降補償功能可根據負載電流的增加線性增加 VCSP/BUS 電壓，提高充電效率。

USB-PD 物理層

TPS25762-Q1 中實現的 USB-PD 物理層符合 USB-PD 規范，采用雙相標記編碼 (BMC) 進行信令發送。發送器和接收器符合定義的 USB-PD BMC TX 和 Rx 掩碼，確保了 USB-PD 消息的準確傳輸。

VCONN 電源管理

內部 VCONN 源端電源路徑可通過固件進行配置，僅使用內部 LDO_5V 電源時，端口 A 能夠持續消耗 20mA 的電流；如果有外部 5V 穩壓器連接到 LDO_5V 引腳并且啟用了應用程序 GUI 設置，則端口 A 能夠持續消耗 200mA 的電流。同時，VCONN 電源開關具備電流限制和反向電流阻斷功能，確保了 VCONN 電源的安全和穩定。

電纜插拔和方向檢測

TPS25762-Q1 能夠自動檢測 USB Type-C 電纜插頭插入情況和電纜方向。當端口作為 Type-C 源端運行時，通過驅動電流 $Rp1.5A$ 并監控 Px_CCy 引腳的電壓變化，可實現電纜連接和接收端連接的檢測。當端口作為 Type-C 接收端運行時，通過在每個 PA_CCy 引腳上提供下拉電阻 RSNK，等待源端連接并上拉引腳上的電壓，實現接收端連接的檢測。

ADC 功能

該控制器內置 8 位逐次逼近 ADC，可對器件中各種電壓和電流進行監測。每個 ADC 電壓輸入均分壓為 1.2V 的滿量程輸入，應用程序固件可以選擇要在輪詢自動讀數模式下進行自動時序控制的任意通道組。

BC 1.2 模式和快速充電模式

TPS25762-Q1 支持 BC 1.2 下行端口充電器仿真，可通過應用程序 GUI 進行配置。支持 DCP（專用充電端口）短路模式、Divider-3 模式、1.2V 模式和 HVDCP（高壓專用充電端口）模式等多種充電模式，滿足不同設備的充電需求。

數字接口和 I2C 接口

TPS25762-Q1 包含一個用于與 I2C 目標器件進行通信的 I2C 控制器，根據應用程序 GUI 固件配置，可能有可用的 I2C 目標和 GPIO。I2C 接口支持標準模式、快速模式和快速 + 模式，具備時鐘延展、地址設置和上拉電阻計算等功能，確保了與外部設備的可靠通信。

應用和實施

典型應用

TPS25762-Q1 的典型應用包括 65W 輸出汽車 USB Type-C 電力輸送端口。在設計過程中，需要根據具體的應用需求選擇合適的元件參數，如電感器、輸入和輸出電容、SWx 緩沖器和電流檢測濾波器元件等。

設計要求

設計時需要考慮輸入電壓范圍、UVLO 導通電壓、USB PD 功率、輸出電壓和負載電流等目標參數。同時，要確保 $V_{IN}$ 和 $Vout$ 充分去耦，實現穩定的器件運行。

詳細設計過程

應用程序 GUI 選擇

根據設計要求，在應用程序 GUI 中選擇合適的參數，如降壓/升壓和 USB 輸入、低電池電量輸入、熱管理輸入等。

EEPROM 選擇

需要使用 EEPROM 來存儲用戶應用配置數據和固件補丁更新，選擇符合要求的 EEPROM 器件，如 On Semi CAV24C256、Microchip 24LC256 等。

EN/UVLO 配置

通過在 IN 電源電壓和 EN/UVLO 引腳之間連接電阻分壓器，建立高于 $V_{IN(UVLO_R)}$ 的導通電壓，確保器件在合適的電壓條件下啟動。

檢測電阻器和濾波器元件選擇

選擇合適的檢測電阻器 $R{SNS}$ 和濾波器元件，如 $R{CSP}$、$R{CSN}$ 和 $C{FLT}$，以滿足 USB PD PPS 電流限制精度要求。

電感器電流計算

根據輸入輸出電壓和開關頻率，計算電感器在降壓和升壓模式下的電流，選擇合適的電感器值，確保轉換器能夠提供足夠的輸出功率。

輸出和輸入電容器選擇

在升壓模式下，輸出電容器會出現高紋波電流，需要選擇合適的輸出電容器，如陶瓷電容器和大容量電容器的組合，以提供低 ESR 和高紋波電流容量。在降壓模式下，輸入電容器可提供高紋波電流，同樣需要選擇合適的輸入電容器。

布局指南

在 PCB 布局時，需要將敏感信號與電源路徑分離，遵循以下布局指南：

• 為 IN、OUT 和 $V_{BUS}$ 電容器使用大容量電容器和較小且串聯阻抗較低的陶瓷電容器的組合，將較小的電容器放置在更靠近 IC 的位置。
• 放置電流檢測電阻器和濾波器元件時，將電流檢測信號的濾波電容器盡可能靠近 IC CSP 和 CSN/BUS 放置，避免跨越有噪聲的區域。
• 將 CBUS 放置在 $R{SNS}$ 和 USB Type-C 連接器之間，將 $C{IN}$、$C{OUT}$ 和 $C{BUS}$ 接地連接盡可能靠近 IC 放置，并在多個層上使用較寬的接地線和/或平面。
• 分離電源路徑和信號路徑，避免電源或開關電流流過 AGND 連接。
• USB 數據線、DP 和 DM 必須在 IC 引腳和 USB 連接器之間進行差分布線，控制阻抗并減少信號反射和阻抗變化。
• CC 線使用 10mil 布線，確保可以通過 VCONN 獲得所需的電流來支持帶電的 Type-C 電纜。

總結

TPS25762-Q1 作為一款高性能的汽車級 USB Type-C 電力輸送控制器，具有豐富的特性和廣泛的應用場景。在設計過程中，工程師需要充分了解其各項特性和設計要點，合理選擇元件參數和進行 PCB 布局，以確保系統的性能和可靠性。同時，德州儀器提供了豐富的文檔支持和技術資源，工程師可以通過訪問 TI 主頁獲取最新技術文檔，參與 TI E2E? 中文支持論壇獲取快速、經過驗證的解答和設計幫助。希望本文能夠為電子工程師在使用 TPS25762-Q1 進行設計時提供有益的參考。