基于RTQ7880车载USB快速充电器的设计

2021-12-29易勇帆胡锡胜黄锐景陈志勇文冬李用

汽车零部件 2021年12期

易勇帆，胡锡胜，黄锐景，陈志勇，文冬，李用

(广汽零部件有限公司技术中心，广东广州 511447)

0 引言

目前汽车上配备的USB充电口，大多只支持DCP 5 V/1.5 A、Apple 5 V/2.4 A和Samsung 5 V/2 A，少量车型配备了5 V/3 A的Type-C接口。但是市场上越来越多的手机支持快充技术，普通充电速度已经不能满足如今快节奏的消费人群。为了满足日益增长的便携式智能设备的快充需求，提供高安全性、高负载的通用USB接口电源是以后的必然趋势。文中提出了一种基于RTQ7880车载USB快速充电器的设计，支持PD3.0快充协议，最大功率支持20 V/3 A。

1 RTQ7880简介和PD协议介绍

1.1 RTQ7880简介

RTQ7880-QT是将USB-C端口控制器、PD(Power Delivery)协议处理器、Buck-Boost控制器和众多功能集成在一起的集成电路，可以作为USB PD电源供应器来使用。其内置ARM CortexTM-M0 MCU，可完成各种不同的协议收发处理，完成Buck-Boost转换器的智能控制，实现各种保护功能和用户指定的功能。所实现的保护功能是以硬件为基础的，可进行电感峰值电流限制、VBUS过压保护、VO欠压保护、VCONN电流限制等，响应速度快，即使在MCU不活动时也能实施保护动作。所形成的USB-PD供电端解决方案功能完善、性能卓越、外围组件少，PCB设计简单、容易。

1.2 USB-PD快充协议介绍

PD协议最初只支持5、9、15、20 V 4种电压，目前的PD3.0协议添加了可编程电源(Programmable Power Supply,PPS)的功能，电压不再是单一的固定值，而是电压、电流以一定的步距进行调节，支持的3个挡位范围分别为3.3～11 V、3.3～16 V、3.3～21 V，对应的功率限制为27 W、45 W和60 W/100 W。电压、电流都具备精准调节能力，电压为20 mV/级，电流为50 mA/级。USB PD的PPS功能可以用于直充以及支援电压折半的直充应用中，现已分别被收纳入联发科的PE4.0和高通的QC4.0充电标准中[1]。

2 基于RTQ7880快充方案在汽车上的应用

2.1 基于RTQ7880芯片快充实现方案

此方案主要包括一个Type-C接口模块和一个Type-A接口模块。由于该模块Type-C接口支持20 V/3 A，Type-A接口最大支持9 V/2 A输出，输入端选取Q1 MOS管作为防反保护器件。

Type-C接口选取RTQ7880芯片作为升降压控制器和外置的4个MOS、一个电感构成升降压电路。LDO为DC-DC转换器，将汽车的电池电转换为稳定的5 V给RTQ7880供电。热敏电阻NTC1部分电路实现采集车载USB充电器局部温度，在PCB布局时，设计者会将NTC1热敏电阻放在关键发热的位置，内部集成的ARM CortexTM-M0 MCU根据反馈的电压判断电路板的发热情况，再结合过温保护算法实现调节，确保USB充电器稳定输出。MOS管Q6防止外部灌流。当需要支援非Type-C的传统USB应用时，RTQ7880含有的DP/DM线检测能力可以派上用场，它能识别出符合BC1.2、0C2.0、QC3.0和Apple标准的系统[2]。

EMI电路有防反、浪涌保护等功能；Type-C快充部分含外置的热敏电阻，内部软件实现温度采集，起到热保护作用； Type-A接口和Type-C接口信号线DP、DM、CC1、CC2都设有ESD保护电路；输出端采用固液混合电容，能承受高纹波电流，稳定性更高； Type-C接口可实现后续协议软件升级。

Type-A接口选取MPS公司的MPQ4482作为核心芯片，此模块作为目前车载USB充电器过渡接口，虽然支持PD3.0协议的Type-C接口是未来的必然趋势，但是市场上还有很多存量的Type-A充电设备。支持BC1.2、Samsung 5V/2A、Apple和QC3.0的充电协议。USB充电器原理如图1所示。

图1 USB充电器原理

2.2 H桥升降压实现过程

(1)降压过程：Q4 MOS开关管始终导通，Q5 MOS开关管始终关闭。过程1，MOS管Q2导通，Q3断开，输入电源Ui通过电感L1向待充电设备提供电能，通过电感的电流IL会线性增大，电能会以磁能的形式储存在电感L1中，当电流慢慢增大到大于输出电流Io后，电解电容CE1会进入充电状态。过程2，MOS管Q3打开，Q2断开，电感L1向负载提供电能，当电流慢慢减小到小于输出电流Io后，电解电容CE1开始进入放电状态。过程1和过程2合起来为一个周期，假设周期为T，过程1时间为ton，过程2时间为toff，则T=ton+toff。过程1的时间与周期时T的比值为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)升压过程：Q2 MOS管始终导通，Q3始终断开。过程3，MOS管Q4断开，Q5导通，经过电感L1的电流IL线性增大，电能会以磁能的形式储存在电感L1中，此时电解电容CE1为负载提供电能。过程4，MOS管Q4导通，Q5断开，输入电源和电感L1储存的电能同时向负载提供电能，这样就达到升压效果，这时电解电容就处于充电状态。过程3和过程4合起来为一个周期，假设周期为T，过程3时间为ton，过程4时间为toff，则T=ton+toff。过程3的时间ton与周期T的比值为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 过温保护实现过程

RTQ7880的软件更新通过对其MTP存储器内容的更新实现。利用I2C桥接工具连接计算机和RTQ7880的方法，通过发送特定的I2C命令即可经D+/D-线完成对RTQ7880 MTP存储器的更新。假如是在一个使用了RTQ7880的数据系统中，可以通过一个连接器连接至与RTQ7880相连的I2C总线对其固件进行更新。

图2是一个过温保护的实现过程，函数放在1 ms循环中。通过热敏电阻检测指定位置的温度Temp，处理器RTQ7880进行逻辑判断，降功率输出，实现过温保护。

图2 算法流程

2.4 长线传输的补偿调节

由于可以提供更高的功率为平板、笔记本等计算机设备供电，车内后排的乘客多半也会使用这样的充电器为它们的设备供电，这将导致新的问题：大电流通过长线传输的压降是很可观的。RTQ7880 解决这种问题的做法是其预留了具有9 个级别的缆线压降补偿功能，它能根据实际的电流大小对输出电压进行补偿调节，使最终的电缆末端电压在任何电流下都不会超出±50 mV 的误差。