TPS25772-Q1：汽車雙USB端口應用的理想之選

在當今的汽車電子領域，USB充電和數據傳輸功能變得越來越重要。為了滿足汽車雙USB端口應用的需求，德州儀器（TI）推出了一款完全集成的雙端口USB Type-C?電力輸送（PD）解決方案——TPS25772-Q1。本文將深入介紹這款器件的特性、應用、工作原理以及設計要點，希望能為電子工程師們在相關設計中提供有價值的參考。

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一、TPS25772-Q1的特性亮點

1. 符合AEC-Q100標準

TPS25772-Q1具有符合AEC-Q100標準的特性，包括器件溫度等級1（-40°C至 +125°C環境工作溫度范圍），以及器件HBM ESD分類等級2和器件CDM ESD分類等級C2B，增強型連接器引腳ESD保護功能，這使得它非常適合汽車應用的嚴苛環境。

2. 集成降壓/升壓轉換器

該器件集成了降壓/升壓轉換器，帶4個電源開關，支持高達65W的USB PD輸出功率，$V{BUS}$輸出范圍為3V至21V，步長為 ±20mV，$I{BUS}$輸出范圍為0A至3A，電流限值步長為 ±50mA，能夠滿足不同的功率需求。

3. 寬輸入電壓范圍

寬$V{IN}$范圍為5.5V至18V（最大40V），使得它可以適應汽車電池系統的電壓變化，同時具有$V{BUS}$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，提高了系統的安全性和可靠性。

4. 智能系統策略管理器

一個智能的系統策略管理器有效地增加了傳輸的USB電力，同時保護系統免受汽車電池瞬態和過熱情況的影響，確保了系統的穩定運行。

二、應用場景廣泛

TPS25772-Q1適用于多種汽車應用，如汽車類USB充電、汽車媒體中心、汽車音響主機以及汽車后座娛樂系統等，為汽車內的USB設備提供了可靠的充電和數據傳輸解決方案。

三、詳細功能解析

1. 電源管理與監控

• VIN UVLO和Enable/UVLO：具有一個內部固定的$V{IN}$ UVLO和一個用戶可編程的UVLO，通過EN/UVLO引腳實現。該引腳有三個電壓范圍：關機、待機和工作。當EN/UVLO引腳電壓低于待機閾值$V{EN(STBY)}$時，器件處于低功耗關機狀態；當電壓在$V{EN(STBY)}$和$V{EN(OPER)}$之間時，內部偏置軌、LDO_5V、LDO_3V3和LDO1V5調節器啟用，但其他器件功能禁用；當電壓高于$V{EN(OPER)}$且LDO_5V、LDO_3V3和LDO_1V5調節器高于各自的欠壓閾值時，器件完全功能。
• 內部LDO：三個內部LDO（LDO_5V、LDO_3V3和LDO_1V5）為內部電路提供穩壓電源。LDO_5V為降壓 - 升壓柵極驅動電路、LDO_3V3、LDO_1V5以及PA和PB VCONN電源路徑供電；LDO_3V3為內部模擬電路、GPIO緩沖器、USB PD和USB端點PHYs供電；LDO_1V5為數字核心供電。

2. TVSP功能

TVSP引腳具有三個功能：引導配置設置、USB連接器引腳短接$V{BUS}$或$V{BAT}$保護以及USB連接器引腳增強型ESD保護。在設備初始化和引導期間，$V_{IN}$必須高于7.6V以確保TVSP引腳正確偏置到5.5V。

3. 降壓 - 升壓調節器

• 工作模式：采用固定頻率、電流模式控制的降壓 - 升壓轉換器，可在降壓、降壓過渡、升壓過渡和升壓四種模式下工作，根據輸入電壓$V{IN}$和輸出電壓$V{OUT}$的關系自動切換。
• 開關頻率和同步：PWM振蕩器頻率$f_{sw}$可通過應用配置GUI進行編程，有300kHz、400kHz和450kHz三種標稱設置。支持頻率抖動和同步功能，可通過SYNC引腳實現多個轉換器的同步，減少輸入電流峰值和總輸入電容需求。
• 過壓保護：包含過壓保護電路，當$V_{IN}$超過約19V時，比較器檢測到輸入過壓情況，關閉開關轉換器，保護功率級免受負載突降和雙電池條件的影響。

4. USB-PD物理層

• 編碼和信號：USB-PD消息采用Biphase Mark Coding（BMC）信號傳輸，通過Px_CC1或Px_CC2引腳輸出。發送器和接收器符合USB-PD BMC TX和RX掩碼要求，確保信號的準確傳輸。
• VCONN：內部VCONN供電路徑可通過固件配置，使用內部LDO_5V電源時，端口A和端口B均可連續吸取20mA電流；若連接外部5V穩壓器并啟用應用GUI設置，兩個端口均可連續吸取200mA電流。

5. 電纜插拔和方向檢測

每個CC引腳都有相同的檢測電路，可自動檢測USB Type-C電纜的插拔和方向。當端口作為Type-C源時，根據$V{REFx}$節點的閾值檢測電纜連接狀態；當端口作為Type-C接收器時，通過呈現下拉電阻$R{SNK}$等待源設備連接。

6. ADC功能

ADC是一個8位逐次逼近ADC，輸入支持來自設備中各種電壓和電流的多個輸入，輸出可由應用固件讀取和使用，用于監測USB端口的遙測信息。

7. BC 1.2充電模式

BC 1.2下游端口充電器仿真可通過應用GUI配置，支持DCP、Divider-3、1.2-V和HVDCP等充電模式。

8. 數字接口

包含一個$I^{2}C$控制器和一個$I^{2}C$目標接口，可用于與外部目標設備通信，IRQ功能取決于固件應用配置。

四、設計要點與建議

1. 應用GUI選擇

使用應用GUI選擇所需的操作條件，如端口A的$V_{Bus}$功率、PDO和APDO設置、開關頻率、電感值等，并將設置保存到編程PC，將固件閃存到EEPROM，然后對設備進行電源循環。

2. EEPROM選擇

需要一個EEPROM來存儲用戶應用配置數據和固件補丁更新，建議選擇32kB（256kb）、7位$I^{2}C$地址（0x50）、組織為32kb x 8的EEPROM。

3. EN/UVLO設置

根據所需的$V_{IN}$開啟電壓，選擇合適的電阻值來設置EN/UVLO引腳的閾值，確保設備在合適的電壓下啟動和關閉。

4. 電流檢測電阻和濾波器

在CSP和CSN/BUS引腳之間需要一個10-mΩ的電流檢測電阻，精度要求±1%或更高。同時，建議使用$R{CSP}=10 Omega$、$R{CSN}=0 Omega$和$C_{FILT}=0.22 mu F$的RC濾波器網絡，以確保USB PD PPS電流限制的準確性。

5. 電感選擇

根據所需的開關頻率和輸出功率，選擇合適的電感值。表10-1列出了基于不同開關頻率的推薦電感值，可根據實際情況進行選擇。

6. 電容選擇

輸入和輸出電容的選擇對于系統的穩定性至關重要。在降壓模式下，輸入電容需要提供高紋波電流；在升壓模式下，輸出電容需要承受高紋波電流。建議使用陶瓷和大容量電容的組合，以提供低ESR和高紋波電流容量。

7. 布局設計

PCB布局應遵循分離敏感信號和功率路徑的原則，確保良好的性能。例如，將輸入和輸出旁路電容靠近IC引腳放置，以減少開關電流的環路面積；將電流檢測電阻和濾波器組件靠近IC CSP和CSN/BUS引腳放置，避免交叉噪聲區域；USB數據線路DP和DM應差分布線，控制阻抗為90Ω差分，減少信號反射和干擾。

五、總結

TPS25772-Q1是一款功能強大、性能可靠的汽車雙USB端口解決方案，具有集成度高、安全性好、適應性強等優點。通過合理的設計和布局，工程師們可以充分發揮其優勢，為汽車電子系統提供穩定、高效的USB充電和數據傳輸功能。在實際設計過程中，建議仔細參考德州儀器提供的技術文檔和應用指南，以確保設計的成功。希望本文能為電子工程師們在TPS25772-Q1的設計應用中提供有益的幫助，大家在設計過程中有任何問題或經驗，歡迎在評論區分享交流。