汽车系统中的典型电压和拓扑结构
eeskill 2022-09-27

USBType-C新标准中最令人激动的一个方面是其电力传输部分。通过USB供电,器件可以成功获得更多的电力,从而实现以前无法实现的功能。手机、平板电脑和笔记本电脑等便携式设备将能够更快地充电。显示器等高功率设备将能够通过相同的电缆获得电源和数据。

器件和主机的数量仍然相对较少,但正不断增加。随着USB Type-C器件的普及,消费者也希望在家中、移动办公时使用它们,尤其是在汽车上。

汽车系统有一套独特的要求和设计障碍,超出了USB供电的要求。表1所示为汽车系统中的典型电压。

表1 汽车系统中的典型电压

汽车系统将对输入使用保护和/或调节,以限制负载的电压。该电压通常限于高出卡车电压或为电池电压的两倍,但低于40V。输入保护功能可使输入电压介于3-40V之间。

USB Type-A器件仅在5V条件下工作,因此降压转换器可以创建充电或通信端口。然而,在起动条件下,USB Type-A系统不起作用。过去,这并不是一个很大的问题,因为车辆驾驶员只将车辆起动一次,而且起动只需要很短的时间。但是随着停止起动怠速的采用,这种中断逐渐成为了一个严重的问题。想像您坐在车中听着手机播放的音乐,每次车辆起动和停止时,音乐就会中断。USB供电允许电压介于5V-20V之间,为负载提供适当的电压是一个真正存在的问题。

简单的降压转换器不再能够执行电源转换。在特定的输入和输出电压范围内,一个简单的升压转换器也不够。汽车系统设计人员需要一台可以根据工况降压或升压的转换器。

一些拓扑结构符合这些标准,包括单端初级电感转换器(SEPIC)、反激式或非反向降压-升压。非反向降压-升压类别还包括双开关或四开关的选项。图1所示为每个拓扑的简化原理图。

图1 非反向降压-升压拓扑结构的简化原理图

这些拓扑中的每一个都包含权衡,如表2所列。

表2选择非反向降压-升压拓扑结构时的权衡

SEPIC和反激式转换器所具有的性能高度相似;然而,SEPIC的钳位输入电压和现成的电感使其对汽车应用更具吸引力。双开关降压-升压在功率上受限,其范围与SEPIC类似,但对双开关降压-升压控制器来说,可用选项很少。因此,只能将SEPIC用于低功耗应用(5-50W),而将四开关降压-升压用于高功率应用(30-100W)。

汽车环境中的许多应用可以从USB供电中受益,其中包括:

车辆(5, 9, 15或20V)中可达100W的充电端口。

从便携式设备充电和接受数据的信息娱乐端口。

信息娱乐输出端口——例如,连接到车辆后部监视器并通过同一根电缆提供电源和数据的端口。

可从汽车提供电源和数据的诊断端口。

USB Type-C尚未应用于车辆,但很快就会得到应用。目前还有许多电源障碍需要解决,以确保获得无故障的用户体验。输入和输出电压的变化使得非反向降压-升压电源成为理想的选择。对于低成本和低功耗解决方案来说,SEPIC可能是合适的选择。对功率和效率更高的设计来说,四开关降压-升压法可以提供一个非常有吸引力的解决方案。在汽车环境中通过USB 供电的应用数量只会增加不会减少,这意味着电源设计的机遇将会更加多元。

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