TPS2586x-Q1：汽車USB充電端口的高效解決方案

在汽車電子領域，USB充電端口的需求日益增長。為了滿足這一需求，德州儀器（TI）推出了TPS2586x-Q1系列產(chǎn)品，這是一款集成式USB充電端口解決方案，專為汽車應用而設計。本文將深入探討TPS2586x-Q1的特性、應用、設計要點以及相關注意事項，幫助電子工程師更好地理解和應用這款產(chǎn)品。

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一、TPS2586x-Q1的特性亮點

1. 汽車級標準合規(guī)

TPS2586x-Q1符合面向汽車應用的AEC-Q100標準，溫度等級1涵蓋了 -40°C至 +125°C的范圍，HBM ESD分類等級為H2，CDM ESD分類等級為C5，這確保了產(chǎn)品在汽車復雜環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。

2. 超低EMI優(yōu)化

該產(chǎn)品針對超低EMI要求進行了優(yōu)化，符合CISPR25 5類標準。采用HotRod?封裝可最大限度地減少開關節(jié)點振鈴，展頻技術可降低峰值發(fā)射，同步降壓穩(wěn)壓器在2.2MHz下具有高效率，例如在$V{IN}=12 ~V$、$I{PA _ BUS}=3 ~A$且$I{PB BUS}=2.4$時效率為93.6%。

3. 寬工作電壓范圍與高效降壓穩(wěn)壓器

工作電壓范圍為5.5V至26V，可承受36V輸入，頻率可在200kHz至3MHz之間調(diào)節(jié)。具有展頻頻譜抖動的FPWM模式，可選輸出電壓包括5.1V、5.17V、5.3V、5.4V。內(nèi)部采用18mΩ/10mΩ低$R_{DS(ON)}$降壓穩(wěn)壓器MOSFET，提高了轉換效率。

4. 高精度可編程電流限制與其他功能

USB端口具有高精度可編程電流限制，在3.4A下為 ±10%。還提供用于輔助負載的5.1V、200mA電源OUT，支持線路壓降補償，在2.4A負載下為90mV，符合USB-IF標準Type-C 1.3版，在CC上具有3A電流通告能力。

二、應用場景

TPS2586x-Q1主要應用于汽車USB充電端口和汽車USB媒體中心。在汽車中，為乘客提供便捷的USB充電功能是必不可少的，而TPS2586x-Q1能夠滿足多端口、大電流充電的需求，同時確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

三、詳細設計要點

1. 輸出電壓設置

輸出電壓由VSET引腳編程，短接VSET到GND可設置輸出電壓為5.17V并啟用電纜補償功能，輸出電壓會隨負載電流線性增加。如果不需要電纜補償，可使用0-Ω$R_{IMON}$電阻。

2. 開關頻率選擇

推薦的開關頻率范圍為250 KHz - 2.2 MHz，以實現(xiàn)高效率。較低的開關頻率可降低開關損耗，提高系統(tǒng)效率，但需要較大的電感和輸出電容；較高的開關頻率則允許使用較小的電感和電容，使設計更加緊湊。在汽車USB充電應用中，通常選擇400kHz（低于AM頻段）或2.1MHz（高于AM頻段）。

3. 電感選擇

電感的關鍵參數(shù)包括電感值、飽和電流和額定電流。電感值基于所需的峰 - 峰紋波電流$Delta i{L}$計算，通常使用最大輸入電壓來計算最小電感值$L{MIN}$。一般來說，$K_{IND}$（電感紋波電流相對于設備最大輸出電流的比例）取值在20% - 40%之間較為合理。

4. 輸出電容選擇

輸出電容的選擇直接影響穩(wěn)態(tài)輸出電壓紋波、環(huán)路穩(wěn)定性以及負載電流瞬變時的電壓過沖/欠沖。在系統(tǒng)需要嚴格電壓調(diào)節(jié)的情況下，輸出電容要能夠在負載快速變化時提供足夠的電荷，以維持輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

5. 輸入電容選擇

需要使用高頻輸入去耦電容，推薦使用高質(zhì)量的X5R或X7R陶瓷電容，其電壓額定值應至少滿足應用的最大輸入電壓，最好為最大輸入電壓的兩倍。此外，還需要在IN和PGND之間使用一個小尺寸的100-nF陶瓷電容，為設備內(nèi)部的控制電路提供高頻旁路。

6. 自舉電容選擇

自舉電容（CBOOT）推薦值為100 nF，額定電壓為16 V或更高。應選擇具有X7R或X5R級電介質(zhì)的陶瓷電容，以確保在溫度和電壓變化時的穩(wěn)定性。

7. 欠壓鎖定設置

系統(tǒng)欠壓鎖定（UVLO）可通過外部電壓分壓器網(wǎng)絡$R{ENT}$和$R{ENB}$進行調(diào)整。需要注意的是，不能直接將EN連接到IN引腳進行自啟動，因為EN引腳的電壓額定值為11 V，直接連接可能會損壞設備。最簡單的啟用方式是將EN連接到SENSE引腳。

8. 電纜補償設置

短接VSET引腳到地可啟用電纜補償功能，此時降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓會隨負載電流線性增加，在USB端口電流大于2.4 A時，電壓補償為90 mV。

9. 故障電阻選擇

FAULT引腳為開漏輸出標志，可連接一個100-kΩ上拉電阻到SENSE或其他合適的I/O電壓。當不使用時，F(xiàn)AULT引腳可以懸空或接地。

四、布局與散熱考慮

1. 布局指南

PCB布局對TPS2586x-Q1的性能至關重要。輸入旁路電容$C{IN}$應盡可能靠近VIN和PGND引腳，使用中間層的接地平面作為噪聲屏蔽和散熱路徑，確保單點接地連接到平面，SW引腳連接到電感的線路應盡可能短且寬，以減少寄生電阻。同時，要使$V{IN}$、VSENSE和接地總線連接盡可能寬，以降低輸入或輸出路徑上的電壓降，提高效率。

2. 接地平面和散熱

建議使用中間層作為實心接地平面，AGND和PGND引腳應通過過孔連接到接地平面。使用IC的PAD作為主要散熱路徑，通過至少4 x 2陣列的12-mil熱過孔將PAD連接到系統(tǒng)接地平面散熱器。多層板設計中，足夠的銅厚度可提供低電流傳導阻抗、適當?shù)钠帘魏洼^低的熱阻。

五、功能特性詳解

1. 電源管理

當IN端子電壓低于VUVLO時，設備處于掉電模式；當IN電壓高于VUVLO閾值時，根據(jù)EN/UVLO電壓，IC進入睡眠模式或活動模式。EN/UVLO引腳控制設備的開關操作，可通過連接EN到SENSE實現(xiàn)自啟動。

2. 輸入過壓保護

TPS2586x-Q1的工作電壓范圍最高可達26 V。當輸入源出現(xiàn)過壓時，降壓調(diào)節(jié)器的HSFET/LSFET會立即關閉，USB端口和OUT引腳失去電源。過壓恢復正常后，降壓調(diào)節(jié)器繼續(xù)工作。

3. 降壓轉換器

集成了單片、同步、整流、降壓開關模式轉換器，通過控制占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。在連續(xù)導通模式（CCM）下，調(diào)節(jié)器控制環(huán)路通過調(diào)整占空比D來保持輸出電壓恒定。

4. 頻率同步

開關頻率可通過FREQ/SYNC引腳和AGND引腳之間的電阻$R_{FREQ}$進行編程，也可將內(nèi)部振蕩器同步到外部時鐘，同步范圍為200 KHz至3 MHz。

5. 自舉電壓

提供集成的自舉電壓調(diào)節(jié)器，BOOT和SW引腳之間的小電容為高端MOSFET提供柵極驅動電壓。BOOT電容在高端MOSFET關閉且低端開關導通時進行刷新。

6. 最小導通時間和關斷時間

最小導通時間$T{ON _ MIN}$和最小關斷時間$T{OFF _ MIN}$限制了在選定開關頻率下的電壓轉換范圍。較高的開關頻率會使允許的占空比范圍變窄。

7. 內(nèi)部補償

TPS2586x-Q1采用內(nèi)部補償，確保在指定的工作頻率和輸出電壓范圍內(nèi)環(huán)路響應穩(wěn)定。

8. 可選輸出電壓

通過VSET引腳可設置四種不同的輸出電壓選項，分別為5.1V、5.17V、5.3V和5.4V。

9. 電流限制和短路保護

具有精密可編程電流限制和逐周期電流限制，可保護USB端口免受極端過載條件的影響。采用兩級電流限制方案，當USB端口電流超過初級電流限制閾值時，會采取相應的保護措施。

10. 熱管理

通過TS輸入引腳實現(xiàn)用戶可編程熱保護。當溫度過高時，會自動降低Type-C端口的電流通告水平，甚至降低輸出電壓，以保護設備。當溫度超過熱關斷閾值時，設備會進行熱關斷，溫度降低后再嘗試重新啟動。

11. USB端口操作模式

支持USB Type-C模式和專用充電端口（DCP）模式（僅TPS25860-Q1）。在USB Type-C模式下，端口A可監(jiān)測CC1和CC2引腳，檢測到UFP時開啟USB電源開關；在DCP模式下，可實現(xiàn)多種充電方案，以滿足不同設備的充電需求。

六、總結與思考

TPS2586x-Q1為汽車USB充電端口提供了一個全面、高效、可靠的解決方案。電子工程師在設計過程中，需要根據(jù)具體應用需求，合理選擇開關頻率、電感、電容等參數(shù)，同時注意PCB布局和散熱設計，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在實際應用中，還需要考慮如何進一步優(yōu)化系統(tǒng)效率、降低成本以及提高系統(tǒng)的抗干擾能力等問題。例如，如何在滿足EMI要求的前提下，進一步降低開關頻率以提高效率；如何選擇合適的保護電路，以應對復雜的汽車電氣環(huán)境。希望本文能為電子工程師在使用TPS2586x-Q1進行設計時提供有益的參考。