易勇帆，胡錫勝，黃銳景，陳志勇，文冬，李用

(廣汽零部件有限公司技術(shù)中心，廣東廣州 511447)

0 引言

目前汽車上配備的USB充電口，大多只支持DCP 5 V/1.5 A、Apple 5 V/2.4 A和Samsung 5 V/2 A，少量車型配備了5 V/3 A的Type-C接口。但是市場上越來越多的手機支持快充技術(shù)，普通充電速度已經(jīng)不能滿足如今快節(jié)奏的消費人群。為了滿足日益增長的便攜式智能設(shè)備的快充需求，提供高安全性、高負載的通用USB接口電源是以后的必然趨勢。文中提出了一種基于RTQ7880車載USB快速充電器的設(shè)計，支持PD3.0快充協(xié)議，最大功率支持20 V/3 A。

1 RTQ7880簡介和PD協(xié)議介紹

1.1 RTQ7880簡介

RTQ7880-QT是將USB-C端口控制器、PD(Power Delivery)協(xié)議處理器、Buck-Boost控制器和眾多功能集成在一起的集成電路，可以作為USB PD電源供應(yīng)器來使用。其內(nèi)置ARM CortexTM-M0 MCU，可完成各種不同的協(xié)議收發(fā)處理，完成Buck-Boost轉(zhuǎn)換器的智能控制，實現(xiàn)各種保護功能和用戶指定的功能。所實現(xiàn)的保護功能是以硬件為基礎(chǔ)的，可進行電感峰值電流限制、VBUS過壓保護、VO欠壓保護、VCONN電流限制等，響應(yīng)速度快，即使在MCU不活動時也能實施保護動作。所形成的USB-PD供電端解決方案功能完善、性能卓越、外圍組件少，PCB設(shè)計簡單、容易。

1.2 USB-PD快充協(xié)議介紹

PD協(xié)議最初只支持5、9、15、20 V 4種電壓，目前的PD3.0協(xié)議添加了可編程電源(Programmable Power Supply,PPS)的功能，電壓不再是單一的固定值，而是電壓、電流以一定的步距進行調(diào)節(jié)，支持的3個擋位范圍分別為3.3～11 V、3.3～16 V、3.3～21 V，對應(yīng)的功率限制為27 W、45 W和60 W/100 W。電壓、電流都具備精準調(diào)節(jié)能力，電壓為20 mV/級，電流為50 mA/級。USB PD的PPS功能可以用于直充以及支援電壓折半的直充應(yīng)用中，現(xiàn)已分別被收納入聯(lián)發(fā)科的PE4.0和高通的QC4.0充電標準中[1]。

2 基于RTQ7880快充方案在汽車上的應(yīng)用

2.1 基于RTQ7880芯片快充實現(xiàn)方案

此方案主要包括一個Type-C接口模塊和一個Type-A接口模塊。由于該模塊Type-C接口支持20 V/3 A，Type-A接口最大支持9 V/2 A輸出，輸入端選取Q1 MOS管作為防反保護器件。

Type-C接口選取RTQ7880芯片作為升降壓控制器和外置的4個MOS、一個電感構(gòu)成升降壓電路。LDO為DC-DC轉(zhuǎn)換器，將汽車的電池電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V給RTQ7880供電。熱敏電阻NTC1部分電路實現(xiàn)采集車載USB充電器局部溫度，在PCB布局時，設(shè)計者會將NTC1熱敏電阻放在關(guān)鍵發(fā)熱的位置，內(nèi)部集成的ARM CortexTM-M0 MCU根據(jù)反饋的電壓判斷電路板的發(fā)熱情況，再結(jié)合過溫保護算法實現(xiàn)調(diào)節(jié)，確保USB充電器穩(wěn)定輸出。MOS管Q6防止外部灌流。當需要支援非Type-C的傳統(tǒng)USB應(yīng)用時，RTQ7880含有的DP/DM線檢測能力可以派上用場，它能識別出符合BC1.2、0C2.0、QC3.0和Apple標準的系統(tǒng)[2]。

EMI電路有防反、浪涌保護等功能；Type-C快充部分含外置的熱敏電阻，內(nèi)部軟件實現(xiàn)溫度采集，起到熱保護作用； Type-A接口和Type-C接口信號線DP、DM、CC1、CC2都設(shè)有ESD保護電路；輸出端采用固液混合電容，能承受高紋波電流，穩(wěn)定性更高； Type-C接口可實現(xiàn)后續(xù)協(xié)議軟件升級。

Type-A接口選取MPS公司的MPQ4482作為核心芯片，此模塊作為目前車載USB充電器過渡接口，雖然支持PD3.0協(xié)議的Type-C接口是未來的必然趨勢，但是市場上還有很多存量的Type-A充電設(shè)備。支持BC1.2、Samsung 5V/2A、Apple和QC3.0的充電協(xié)議。USB充電器原理如圖1所示。

圖1 USB充電器原理

2.2 H橋升降壓實現(xiàn)過程

(1)降壓過程：Q4 MOS開關(guān)管始終導通，Q5 MOS開關(guān)管始終關(guān)閉。過程1，MOS管Q2導通，Q3斷開，輸入電源Ui通過電感L1向待充電設(shè)備提供電能，通過電感的電流IL會線性增大，電能會以磁能的形式儲存在電感L1中，當電流慢慢增大到大于輸出電流Io后，電解電容CE1會進入充電狀態(tài)。過程2，MOS管Q3打開，Q2斷開，電感L1向負載提供電能，當電流慢慢減小到小于輸出電流Io后，電解電容CE1開始進入放電狀態(tài)。過程1和過程2合起來為一個周期，假設(shè)周期為T，過程1時間為ton，過程2時間為toff，則T=ton+toff。過程1的時間與周期時T的比值為D，由伏秒特性原理可以得出(Ui-Uo)DT=Uo(1-D)T,得到Uo=DVi[3]。

(2)升壓過程：Q2 MOS管始終導通，Q3始終斷開。過程3，MOS管Q4斷開，Q5導通，經(jīng)過電感L1的電流IL線性增大，電能會以磁能的形式儲存在電感L1中，此時電解電容CE1為負載提供電能。過程4，MOS管Q4導通，Q5斷開，輸入電源和電感L1儲存的電能同時向負載提供電能，這樣就達到升壓效果，這時電解電容就處于充電狀態(tài)。過程3和過程4合起來為一個周期，假設(shè)周期為T，過程3時間為ton，過程4時間為toff，則T=ton+toff。過程3的時間ton與周期T的比值為D，由伏秒特性原理可以得出UiT=Uo(1-D)T,得到Uo=Ui/(1-D)。

2.3 過溫保護實現(xiàn)過程

RTQ7880的軟件更新通過對其MTP存儲器內(nèi)容的更新實現(xiàn)。利用I2C橋接工具連接計算機和RTQ7880的方法，通過發(fā)送特定的I2C命令即可經(jīng)D+/D-線完成對RTQ7880 MTP存儲器的更新。假如是在一個使用了RTQ7880的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，可以通過一個連接器連接至與RTQ7880相連的I2C總線對其固件進行更新。

圖2是一個過溫保護的實現(xiàn)過程，函數(shù)放在1 ms循環(huán)中。通過熱敏電阻檢測指定位置的溫度Temp，處理器RTQ7880進行邏輯判斷，降功率輸出，實現(xiàn)過溫保護。

圖2 算法流程

2.4 長線傳輸?shù)难a償調(diào)節(jié)

由于可以提供更高的功率為平板、筆記本等計算機設(shè)備供電，車內(nèi)后排的乘客多半也會使用這樣的充電器為它們的設(shè)備供電，這將導致新的問題：大電流通過長線傳輸?shù)膲航凳呛芸捎^的。RTQ7880 解決這種問題的做法是其預留了具有9 個級別的纜線壓降補償功能，它能根據(jù)實際的電流大小對輸出電壓進行補償調(diào)節(jié)，使最終的電纜末端電壓在任何電流下都不會超出±50 mV 的誤差。

3 結(jié)論

基于立锜RTQ7880-QT和MPS MPQ4482芯片的車載USB充電模塊配備Type-A和Type-C接口，支持最新的PD3.0協(xié)議，向下兼容BC1.2、Apple 2.4A、Samsung 5 V/2 A和QC3.0等協(xié)議。具有輸出短路保護、輸出過載保護和過溫保護功能。

Type-C接口相比傳統(tǒng)Type-A接口，具有充電速度快、傳輸速率高，并且支持USB-PD快充協(xié)議的特點。生活中越來越多的智能手機、筆記本、平板等設(shè)備都使用Type-C接口，PD協(xié)議又是全球公認的快充協(xié)議，所以配備支持PD協(xié)議的Type-C接口將是未來的必然選擇，該方案在未來也有很大的市場價值。