一种基于USB插座的快充技术在汽车领域的应用

何坤宇　罗逍　吴光智

摘 要：如今，大部分手机都具备有快充功能，且车内的USB插座似乎是一个方便的功能，但是在车内充电真就那么简单吗？USB插座往往在充电的时候没有足够的电能供给手机，它只会减缓你手机电量的消耗，却无法让你体验到充电快感。这款快充USB插座，在传统插座的基础上增加了充电效率，减短了充电时间，非常符合开车需要，让充电更加快捷，可以省去很多时间。

关键词：USB 插座 快充 充电

Application of Fast Charging Technology based on USB Socket in Automobile Field

He Kunyu Luo Xiao Wu Guangzhi

Abstract：Most mobile phones come with a quick charge feature these days， and a USB socket in the car may seem like a convenient feature， but is charging in the car really simply. USB sockets often don't have enough power to power your phone while it's charging， which slows down your phone's battery use but doesn't give you the pleasure of charging. This quick-charging USB socket， on the basis of the traditional socket， increases the charging efficiency， reduces the charging time， which is very suitable for driving， makes the charging faster， and can save a lot of time.

Key words：USB， the socket， quick charge， charging

1 引言

在当今通讯飞速发展的时代，手机作为通信必不可少的载体工具，几乎是人手一台，而且现阶段的手机大部分都是支持快充功能的，在充电的时候，选用快充比传统充电插座节省了大部分时间。但是车内USB充电插座一直以来带给人们都是不太愉快的体验，充电速度非常慢成为人们抱怨最多的话题，也就在这个阶段，车载快充技术应人们热议而产生了。

2 USB充电插座基本原理概述

2.1 车载USB充电插座工作原理

USB插座基本电路包括：输入接插件、保护电路、EMI滤波、DC/DC变换、输出USB接口等。

2.2 快充车载USB插座工作框图

2.3 传统车载USB插座与快充车载USB插座技术区别

快充主要是在支持的握手协议芯片与传统不同，传统的握手协议芯片只能支持BC1.2，快充的協议芯片能支持BC1.2、QC2.0、QC3.0、FCP、SCP、AFC等主流的协议。充电协议是一种充电规范，USB插座的协议主要是为了匹配各种品牌的手机协议，对应的协议建立起连接，就能实现各协议支持的充电能力。

BC1.2协议支持10W（5V/2A）的充电能力。

QC2.0、QC3.0、FCP、SCP、AFC等协议在本快充技术中能支持最大20w（5V/4A）的充电能力。

因此，传统车载USB插座因充电协议芯片差异导致充电能力比快充车载USB插座弱了一半。

3 USB充电插座结构设计

3.1 结构设计目标

车载USB充电插座为了匹配车内仪表板结构，也为了满足项目快充的要求而全新设计的。

3.2 结构设计方案

3.2.1 设计基本准则

a.螺丝孔位置要求：螺丝孔位于USB充电插座底部，必须要与仪表板螺丝孔对应，确保能正常打螺丝固定;

b.螺丝孔径大小要求：孔的尺寸要满足直径3.6mm;

c.卡勾要求：USB插座四边卡勾需要匹配仪表板凹槽四边的四个孔，确保USB插座扣稳，耐拔插;

d.间隙要求：USB插座四周与仪表板间隙要满足0.5mm，确保因公差要求导致装不了;

e.接插件位置要求：接插件要位于USB插座底部中间，匹配仪表板孔;

f. USB接口位置要求：USB接口必须要位于仪表前端且靠右边。

3.2.2 具体USB插座设计

USB充电插座（图3）整体结构包括了四个部分，即防尘盖、USB外壳、PCB板、USB底座。

防尘盖的主要作用是为了防止灰尘、液体或者一些其它小东西进入到USB接口中，造成USB接口污染、短路或者功能失效等;防尘盖缺口是为了方便用户手指扣起;防尘盖字符能很好的提醒用户。防尘盖采用的材料是TPU，具有较广的硬度范围，方便加工，加工周期短等特点。

USB外壳表面设计了一个平面，可以给用户提供手机支架的安装面;USB外壳三边除了靠近USB接口边都各自设计有一个卡勾，使USB插座能很好的扣住仪表板，防止USB插足脱落;USB外壳四周设计有小凸台，能有效的防止松动。

PCB板主要布局设计是为了匹配USB外壳的充电接口和USB底座的接插件接口。

USB底座设计了一个卡勾，为了能和USB外壳相互作用，达到四边都有卡扣，能更好的扣住仪表板;底座还设计了一个接插件口，为了配合仪表凹槽中间的孔，让供电线能很好的与USB插座对接，给插座供电;USB底座设计了一个螺丝孔，为的是能从仪表板底部给USB插座打螺钉，能更好的防止USB插座松动。

USB外壳和USB底座的材料采用的都是PC+ABS，具有优良的成型加工性能，流动性好，强度较高等特点。

4 USB充电插座硬件设计

4.1 硬件整体设计

USB快充硬件设计的整体中枢是快充协议芯片CX2902，CX2902支持BC1.2、QC2.0、QC3.0、FCP、SCP、AFC等多种主流的充电协议。CX2902由整車线束ACC端提供12V电源，在通过USB的TYPE-A口与用户设配握手成功后，提供快速充电。

4.2 输入输出设计

4.2.1 电源输入接口PIN针设计

4.2.2 USB插座输出接口TYPE-A引脚定义

4.3 电路设计

4.3.1 ESD电路设计

在接插件的针脚上增加电容，做静电保护。静电电容选型可参考如下公式进取值选型。

根据ESD电容选取公式：

Uesd*Cesd=（Cx*Umax）*Umax

Cx=Uesd*Cesd/Umax-Cesd

通过计算得出，Cx=4.65nF（选两颗10nF，100V串联）

4.3.2 反接电路设计

输入反接保护由Q1 MOS管组成。主要用于防护，如汽车维修时电源反接或发动机启动产的负脉冲损坏产品的后级电路器件。

注：器件选型MP6050可满足12V系统反接保护需求。

4.3.3 EMC电路设计

电磁兼容防护主要由π滤波电路组成，电感选型除感值外还需要注意电感的负载能力;电容选型需要注意器件的频率衰减特性。

5 总结

本文提出了一种基于USB插座的快充技术在汽车领域的应用的技术方案。本方案提出的快充USB插座与传统车载USB插座比较，快充插座提高了一倍的充电效率，减短了一半的充电时间，非常符合现在上班族的开车需要，让用户在上下班的过程中，就能充满电，可以大大的缩短时间，以及能给用户提供愉快的充电体验。

作者简介

何坤宇：（1995—），男，助理工程师，主要从事汽车USB插座、音响系统、天线系统设计开发。

罗  逍：（1988—），男，工程师，主要从事汽车USB充电插座、音响系统、天线系统的设计及项目管理。

吴光智：（1995—），男，助理工程师，主要从事汽车USB插座、音响系统、天线系统设计开发。