【解決方案】抵禦高溫：打造緊湊型多標準雙 USB 充電器| 安馳科技股份有限公司 Macnica Anstek Inc.

摘要

汽車充電應用中的 USB 連接埠必須適合狹小的空間且不會過熱。對於專用雙連接埠 USB 充電器解決方案來說，這個問題更加嚴重，因為該解決方案必須支援兩個連接器，而不增加組件數量和解決方案尺寸。我們回顧了典型解決方案的缺點，並展示了MAX20047 新型汽車級雙埠USB充電器IC如何以小尺寸克服尺寸和發熱的挑戰。

介紹

USB 連接埠在汽車中非常普遍。透過適當的電纜，許多便攜式設備、智慧型手機和平板電腦都可以使用汽車 USB 充電器隨時隨地充電。實現這些功能的電子模組必須安裝在狹小的空間內而不會過熱。

在雙埠專用 USB 充電解決方案（圖 1）的情況下，這個問題更加嚴重，該解決方案必須支援兩個連接器，而不增加組件數量和解決方案尺寸。雙 USB 充電器必須支援每個連接器在 5V 電壓下進行高達 3A 的充電，並且必須符合 AEC-Q100 要求並符合 Apple ®和 USB 規範。除了尺寸和溫度挑戰之外，該解決方案還必須包括雙傳統 USB 枚舉技術、發出最小的 EMI 輻射、承受 40V 負載突降，並具有防止汽車現場返回的保護功能。

此設計解決方案回顧了典型方法的缺點，並提出了一種新穎的解決方案來克服這些挑戰。

圖 1. 配備雙 USB 插座的汽車。

熱量問題

USB 充電器模組的熱規格很簡單：其溫度不能超過環境溫度 40°C。

讓我們來看一個典型的解決方案，其中採用倒裝晶片封裝的 5V 充電器的結點至環境熱阻為 θ J-A = 20°C/W，它從14V 汽車電池獲取電力，以91 ℃ 的電流以6A 電流為便攜式設備充電。輸出功率為：
P OUT = 5V × 6A = 30W

效率為 91% 時，輸入功率為：
P IN = P OUT /η = 30/0.91 = 32.92W

功率損耗為：
P D = P IN - P OUT = 32.92 – 30 = 2.92W

因此，IC內部的溫度升高為：
ΔT = T J-A x P D = 20 × 2.92 = 58.4°C

這超出了指定的限制。顯然，這裡起作用的因素是充電器效率及其熱阻。

將 58.4°C 的 ΔT 與環境 25°C 的溫度相加，得到峰值溫度 83.4°C，如圖 2 所示。

圖 2. 典型 USB 解決方案的峰值溫度。

尺寸問題

小尺寸的關鍵是高整合度。圖 3 顯示了一個典型的解決方案，該解決方案在整合充電器控制和動力傳動系統的同時，仍需要幾個外部 TVS 來防止電池短路和 V BUS短路。因此，雖然充電器IC僅佔據25mm 2的面積，但一旦增加TVS區域，所佔據的總主動面積就會上升到45mm 2 。

圖 3. 典型充電器中的充電器和保護 IC。

當添加其餘被動元件時，PCB側面佔用達到333mm 2。顯然，為了最小化 PCB 尺寸，需要更高層級的整合。

高度整合的解決方案

例如，MAX20047 (圖 4) 是一款汽車級小尺寸雙埠充電器 IC，專為汽車充電應用而設計。它將全同步 6A 降壓轉換器與整合的高側和低側 FET 結合，可在 3.5V 至 36V 的輸入電壓下工作，並提供 5.2V 的輸出電壓。該 IC 整合了 iPod ® /iPhone ® 1.0A、iPad ® 2.1A 和 iPad ® 2.4A 專用充電模式。它還支援Apple®、USB-IF DCP、China YD/T 1591-2009和Samsung® 1.2V等多種模式之間的自動轉換，以實現對所有裝置的快速充電。

受保護的 HVBUS 輸出還提供接地短路保護和過流保護，以保護內部匯流排電源軌免受過流故障的影響。該 IC 提供高達 +18V 的電池短路保護，並且還可以訂購擴頻操作以降低 EMI。降壓轉換器開關頻率可編程範圍為 0.4MHz 至 2.2MHz。該 IC 已根據 ISO 10605 和 IEC 61000-4-2 ESD 標準進行測試。

圖 4. 高度整合的解決方案框圖。