车用USB Type-C电源系统的三大挑战被一颗DC/DC控制器解决了

近几年，越来越多的智能手机、笔记本电脑、平板等便携式电子设备开始采用USB Type-C接口，它多样化的功能使其逐渐取代了传统的MicroUSB，成为主流接口。欧洲议会也曾通过决议，主张将欧洲范围内的智能手机等移动设备统一为USB Type-C接口，这预示着USB Type-C会在未来成为统一的接口标准。而随着大众、奔驰、宝马等欧洲传统汽车品牌，以及特斯拉等新能源势力的加入，USB Type-C接口也正在从消费级产品走向汽车应用。与手机、电脑、充电宝和充电头一样，USB Type-C可为汽车带来了达100W的充电功率。
无论是新能源汽车还是传统汽车，车内的电子电气部件都占据着极大的比重，所以一款解决方案是否可以在非常小的板子上实现宽电压范围供电、大功率、高效率、低EMI，同时能够在车用环境下实现良好的散热对车用Type C系统来说就显得十分重要。本文以ADI低EMI、4开关、降压-升压DC/DC转换器 LT8390/LT8390A为例，探讨汽车中的USB Type-C电源设计面临的挑战和解决思路。LT8390A在2 MHz开关频率时，它可提供5 V至15 V的输出电压（3 A时45 W），以通过汽车电池为USB Type -C设备供电。
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车用Type C供电挑战之宽电压范围
汽车电池和类似的宽电压范围电源都是较为复杂的，它们需要提供保护且要求能够高效的进行降压和升压转换。传统的降压电路并不能满足Type C系统的供电要求，这时就需要一个比较复杂的升降压电路来完成Type C系统的供电要求。LT8390是一款同步、四开关降压-升压型DC/DC控制器，可以在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下调节输出电压、输入或输出电流。该器件专有的峰值降压/峰值升压电流模式控制方案允许执行可调和可同步的150kHz至650kHz固定频率操作，或用于实现低EMI的内部±15%三角扩展频谱频率调制。LT8390具有4V至60V的输入电压范围、0V至60V的输出电压能力，并可在工作区之间实现无缝低噪声转换，因而非常适合于汽车、工业、电信、甚至电池供电型系统中的电压调节器、电池和超级电容器充电器应用。
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车用Type C供电挑战之高温度
在汽车电子系统之中，温度的管理一直是个挑战，一般会要求系统能够正常工作在-40°C ~ + 65°C的环境温度之下。而机壳之内的环境温度还会有20°C左右的温升，所以PCB板实际需要承受的环境温度会高达+ 85°C或者更高。电源、CPU等模块作为汽车电子系统的发热大户，更一步加剧了机壳内的环境温度，严苛的环境实际上已经逼近很多芯片的耐温极限了。因此，在系统设计的初期，必须规划好热管理策略以及设计对应的措施。下图所示的降压-升压转换器就是一个典型的例子，支持VIN = 9V-36V、VOUT = 12V和IOUT = 25A，能够实现300W的功率输出。在满载情况下，所有模式——升压、降压和降压-升压——的效率都保持较高。这使得LT8390能够在所有输入条件下进行调节，而不会出现过热现象。当然，我们在使用的时候可以添加冷却元件以提高功率能力。

另外，当热性能成为创建高功率稳压器系统的限制因素时，LT8390还能够并联运行，以提高总输出功率能力，同时在输入电压范围内保持可接受的工作温度。即使在更高的输出功率下，并联LT8390系统也表现出与单相LT8390系统类似的热性能，因为输出功率和热耗散被分担在两个转换器之间。在改善热性能的同时，并联LT8390系统还采用了失相驱动，有效降低了系统的输出纹波。

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车用Type C供电挑战之低EMI
低EMI是汽车电子产品的基本设计要求。开关稳压器的EMI通常用EMI滤波器和电子屏蔽来缓解，但会增加稳压器的成本和尺寸。电源设计者也可以选择开关频率以避开一些EMI约束，但会严重限制电源设计者在效率和解决方案尺寸方面的选择。为了减少设计时间和成本，LT8390A具有多种独特的降低EMI的特性，可实现高功率转换和低噪声性能，从而简化其在汽车系统中的实施。
LT8390A是一款独特的2 MHz同步四开关降压-升压控制器，其他四开关控制器之间的显著差异在于电感电流检测电阻的位置。大多数四开关降压-升压控制器往往使用接地基准电流检测方案来获得开关电流信息，而LT8390A将其电流检测电阻与电感串联。通过将检测电阻与电感串联，便可有效地将电阻从降压和升压热环路中移除，从而缩小环路尺寸并改善EMI性能。
除了电感检测电阻位置的架构优势外，LT8390A还内置扩频调频功能以进一步降低控制器产生的EMI。此外，降压和升压功率开关的边沿速率仅使用几个分立元件来控制，以减缓MOSFET的导通，确保在降低功率开关的高频EMI与温升之间达成适当的平衡。凭借这些降低EMI的特性，满足CISPR 25标准所需的滤波器由输入和输出上的小型铁氧体滤波器提供，而不是大型铁氧体外壳和粗笨的LC滤波器。
基于LT8390A的1平方英寸大小的高效率、低EMI USB Type-C电源解决方案
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总结
针对为连接设备供电的稳压器的新USB标准，USB Type-C支持通过增加稳压器可提供的输出电压范围和电流输送来实现更高的功率传输。便携式和汽车电池供电的USB Type-C充电设备需要一种宽VIN/VOUT降压-升压稳压器，以便输送高于或低于输入电压的总线电压。ADI的4开关降压-升压控制器LT8390简化了要求苛刻的工业和汽车电源设计，它的应用几乎不限于这些领域，因为它具有众多特性，包括在较宽的输出负载范围内具有高效率、低EMI、紧凑的解决方案尺寸和极高的输出功率能力，是新兴的可再生能源和能量收集系统的理想选择。