本文作者：Josh Mandelcorn, Seong Kim and Stefano Panaro, Applications Engineer, Texas Instruments 

如今的汽車購買者，無論選擇高端還是經(jīng)濟(jì)車型，都期望通過車內(nèi) USB 端口同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電。為滿足這一需求，汽車制造商正將傳統(tǒng)的 USB Type-A 端口替換為支持最新 USB-PD標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè) Type-C 端口。這些標(biāo)準(zhǔn)支持更高的功率水平——高達(dá) 48 V 和 240 W，適用于快速充電筆記本電腦、平板電腦和手機(jī)。

USB PD 控制器與內(nèi)部或外部 DC/DC 轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，這為系統(tǒng)增加了額外的熱應(yīng)力。在汽車、工業(yè)和其他空間受限的設(shè)計(jì)中，這一挑戰(zhàn)尤為關(guān)鍵，因?yàn)檫@些環(huán)境通常氣流有限且環(huán)境溫度較高。如果不加以管理，過高的溫度可能損壞系統(tǒng)或降低其可靠性。高溫會加速半導(dǎo)體和無源元件的老化，導(dǎo)致焊點(diǎn)疲勞，最壞情況下可能引發(fā)印刷電路板（PCB）分層或熱失控。這些風(fēng)險(xiǎn)使得熱管理成為系統(tǒng)級 USB PD 設(shè)計(jì)的優(yōu)先事項(xiàng)，特別是在需要長期可靠性或安全性的情況下。在本篇電源技巧中，我將探討在實(shí)施汽車 USB PD 解決方案時(shí)管理熱量和提高系統(tǒng)可靠性的不同方法。

典型的 12 V 電池汽車系統(tǒng)需要以下組件來實(shí)現(xiàn) USB PD 充電端口：

DC/DC 轉(zhuǎn)換器：該轉(zhuǎn)換器將 12 V 電池電壓升壓至所需的 USB 輸出電壓（通常為 5 V 至 20 V，最高 60 W，或根據(jù)最新 USB PD 規(guī)范達(dá)到 48 V 和 240 W）。

支持 USB PD 的控制器：該控制器是現(xiàn)代高功率充電系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)與連接設(shè)備協(xié)商功率角色和電壓水平。德州儀器（TI）的 TPS26744E-Q1 是一款雙端口汽車控制器示例，可管理 USB PD 配置文件并控制相關(guān)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

從 12 V 電源軌設(shè)計(jì)高功率 USB PD 時(shí)面臨的挑戰(zhàn)包括：

寬電壓變化：輸入（汽車電池）和輸出（USB Type-C 端口及連接負(fù)載）的電壓變化較大，需要可靠且靈活的電源架構(gòu)。

高電流需求：12 V，100 W的功率可能需要超過 10 A 的輸入電流，這需要較大的電感器、低導(dǎo)通電阻的 MOSFET 以及精心設(shè)計(jì)的 PCB 布局來管理功率元件的損耗。

熱瓶頸：大多數(shù)設(shè)計(jì)使用帶四個(gè)外部 MOSFET 的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，在高負(fù)載條件下（特別是在低輸入電壓和高輸出功率時(shí)）會引入顯著的熱應(yīng)力。

向 48 V 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變

汽車行業(yè)正向 48 V 電源架構(gòu)過渡，這簡化了 USB PD 設(shè)計(jì)并提高了熱效率。更高的輸入電壓使得僅需降壓拓?fù)浼纯?，取代了更?fù)雜的降壓-升壓設(shè)計(jì)。所需的外部元件更少（無需四 MOSFET 橋接，且電感器尺寸和電流額定值顯著降低）。

例如，TI 的 LM72880-Q1 是一款適用于 48 V 輸入 USB PD 應(yīng)用的集成汽車級降壓轉(zhuǎn)換器。圖 1 顯示了兩種 USB PD DC/DC 轉(zhuǎn)換器：左側(cè)為基于 12 V 電池的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，右側(cè)為基于 48 V 電池的僅降壓轉(zhuǎn)換器?？梢钥闯?，基于 48 V 的系統(tǒng)的總解決方案尺寸和元件數(shù)量明顯減少。48 V 系統(tǒng)將 PCB 面積減少了 58%，從 1.75 平方英寸降至 0.74 平方英寸。

圖 1：12 V 架構(gòu)的降壓-升壓拓?fù)渑c 48 V 架構(gòu)的僅降壓拓?fù)鋵Ρ?。來源：德州儀器

降低開關(guān)頻率的重要性

開關(guān)頻率直接影響功率損耗。較高頻率可減小無源元件的尺寸，但會增加 MOSFET 的開關(guān)損耗；較低頻率可減少開關(guān)損耗，但會增加電感器紋波，可能需要更大的輸出濾波器。

圖 2 比較了同一電路板在不同開關(guān)頻率下的工作情況，左側(cè)為 400 kHz，右側(cè)為 200 kHz。

圖 2：同一電路板在 400 kHz（左）與 200 kHz（右）開關(guān)頻率下的熱成像。來源：德州儀器

在 54 V 輸入、5 A 輸出并使用風(fēng)扇冷卻的條件下，比較 400 kHz 和 200 kHz 的開關(guān)頻率的熱測試顯示，降低頻率可將轉(zhuǎn)換器溫度降低 18°C。電感器溫度略有上升，從 60°C 增至 63°C，表明需要平衡熱分布。

更厚的銅層，更多的 PCB 層

PCB 設(shè)計(jì)在熱管理中起著關(guān)鍵作用。增加銅層厚度和層數(shù)可以在無風(fēng)扇冷卻的情況下顯著降低溫度上升。

圖 3 顯示了兩塊尺寸相似的電路板的熱成像。左側(cè)電路板為四層，每層使用 1 盎司銅。右側(cè)電路板為六層，頂層和底層使用 2 盎司銅，內(nèi)層使用 1 盎司銅。

圖 3：兩塊 PCB 的熱成像：左側(cè)為四層，每層 1 盎司銅；右側(cè)為六層，外層 2 盎司銅，內(nèi)層 1 盎司銅。來源：德州儀器

兩塊電路板均在 48 V 輸入、20 V 輸出、400 kHz 開關(guān)頻率下運(yùn)行。右側(cè)電路板承載 5 A 電流，而左側(cè)為 4.25 A，但由于散熱改善，溫升降低了 50%。這凸顯了在熱要求高的汽車應(yīng)用中厚銅 PCB 的重要性。

熱折返

傳統(tǒng)保護(hù)方法通常依賴熱關(guān)斷，當(dāng)溫度超過閾值時(shí)完全禁用系統(tǒng)。雖然熱關(guān)斷能保護(hù)硬件，但這種方式過于突然且具有破壞性。在需要持續(xù)運(yùn)行而非完全關(guān)機(jī)的應(yīng)用中——如汽車信息娛樂系統(tǒng)、工業(yè) USB 充電或消費(fèi)者擴(kuò)展塢——熱關(guān)斷無法提供良好的用戶體驗(yàn)。

如今的 USB PD 控制器（包括 TI 的產(chǎn)品）支持固件可配置的熱折返，這是一種更復(fù)雜、動態(tài)的熱響應(yīng)系統(tǒng)，可在溫度升高時(shí)降低電力傳輸?？刂破鞑粫耆袛嚯娫矗侵鸩浇档?VBUS 輸出功率，使系統(tǒng)冷卻的同時(shí)仍保持基本功能。這種“軟失效”方式兼顧了安全性和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。

TI 的 USB PD 控制器通過連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的外部負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻監(jiān)測系統(tǒng)溫度。固件通過評估該電壓來判斷溫度狀況。隨著溫度升高，系統(tǒng)會進(jìn)入可配置的熱階段，每個(gè)階段的功率降低程度逐漸增加。

在圖 4 中，熱折返分為三個(gè)熱階段，每個(gè)階段代表更高的熱嚴(yán)重性：

階段 1：輕微溫度升高。略微降低功率以減少熱積累。

階段 2：中等溫度。進(jìn)一步限制功率傳輸以穩(wěn)定系統(tǒng)。

階段 3：高溫警報(bào)。大幅降低或禁用功率以避免危險(xiǎn)過熱。

圖 4：熱折返的三個(gè)主要階段，顯示溫度上升和下降的閾值。來源：德州儀器

每個(gè)階段由兩個(gè)電壓閾值定義：上升閾值（Vth_R）和下降閾值（Vth_F），形成滯后以防止溫度在過渡點(diǎn)附近時(shí)快速切換。

在階段轉(zhuǎn)換時(shí)，USB PD 控制器會與連接的接收設(shè)備重新協(xié)商 USB PD 合同。每個(gè)階段允許的最大功率可配置，提供精確控制。例如，如果端口最大功率為 100 W，熱折返可能在進(jìn)入階段 1 時(shí)將功率降至 60 W，階段 2 降至 27 W，階段 3 降至 7.5 W。

熱折返不再是奢侈功能，而是高功率 USB PD 設(shè)計(jì)的必需品。憑借固件可配置的行為，TI 的 USB PD 控制器為工程師提供了在熱應(yīng)力下保持安全、高效運(yùn)行的靈活性，而不犧牲可用性或系統(tǒng)可用性。通過智能地降低功率而非完全關(guān)閉，熱折返提高了產(chǎn)品可靠性，延長了元件壽命，并在苛刻環(huán)境中提供了更好的最終用戶體驗(yàn)。

USB PD 熱管理

熱管理是汽車 USB PD 應(yīng)用中的重要設(shè)計(jì)考慮因素。通過利用更高電壓系統(tǒng)、優(yōu)化開關(guān)頻率和投資于 PCB 設(shè)計(jì)，可以顯著減少熱相關(guān)應(yīng)力并提高整體可靠性。TI 提供了一系列汽車級 USB PD 控制器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，如 TPS26744E-Q1 和 LM72880-Q1，幫助您設(shè)計(jì)緊湊、高效且熱可靠的 USB Type-C 充電解決方案。