MAX25430：汽車(chē)100W USB - PD降壓 - 升壓端口控制器及保護(hù)器

在當(dāng)今的汽車(chē)電子領(lǐng)域，隨著越來(lái)越多的電子設(shè)備需要充電，對(duì)高效、安全且功能強(qiáng)大的USB - PD充電解決方案的需求日益增長(zhǎng)。Maxim Integrated推出的MAX25430就是這樣一款出色的產(chǎn)品，它為汽車(chē)多媒體集線(xiàn)器、后排娛樂(lè)模塊和主機(jī)應(yīng)用提供了USB - PD充電和保護(hù)的綜合解決方案。

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一、產(chǎn)品概述

MAX25430集成了汽車(chē)級(jí)降壓 - 升壓控制器、USB - PD模擬前端（AFE）、傳統(tǒng)USB充電支持以及USB Type - C保護(hù)功能，適用于USB主機(jī)或下行端口（DFP）應(yīng)用。其USB Type - C保護(hù)開(kāi)關(guān)可為D +、D -、CC1、CC2和VCONN提供汽車(chē)系統(tǒng)級(jí)ESD和24V短路保護(hù)。此外，該器件還支持傳統(tǒng)USB 2.0充電模式，包括BC1.2、Apple? 2.4A、Apple CarPlay?、Apple MFi和USB On - The - Go（OTG）。

MAX25430有A和B兩種型號(hào)。MAX25430B集成了支持USB - IF Type - C端口控制器接口（TCPCI）規(guī)范的USB - PD AFE，可與應(yīng)用中的任何I2C主機(jī)接口；MAX25430A則為外部USB - PD控制器提供CC信號(hào)直通保護(hù)。G后綴的器件具備智能檢測(cè)和保護(hù)功能，可避免在故障事件期間大短路電流從汽車(chē)電池通過(guò)電纜屏蔽層流向地，從而防止汽車(chē)模塊損壞。

二、主要特性

（一）USB - PD PHY與BMC PHY

MAX25430B的USB - PD PHY符合TCPCI標(biāo)準(zhǔn)，可與任何低成本I2C主機(jī)（如集線(xiàn)器IC、MCU或SOC）配合使用。其接地偏移調(diào)整的BMC PHY可實(shí)現(xiàn)最大信噪比。

（二）降壓 - 升壓控制器

集成的降壓 - 升壓控制器可驅(qū)動(dòng)外部H橋，輸入工作電壓范圍為4.5V至36V，支持固定的PDO 5V、9V、15V和20V輸出，最大電流可達(dá)5.0A。提供220kHz、300kHz或400kHz三種開(kāi)關(guān)頻率選項(xiàng)，還支持外部頻率同步和擴(kuò)頻功能，可降低EMI。此外，它還具備集成且用戶(hù)可編程的降壓 - 升壓輸出電壓調(diào)整功能，可補(bǔ)償高達(dá)500mΩ的電纜電阻。

（三）保護(hù)功能

1. 乘客電纜屏蔽層短路到電池保護(hù)：采用小型單FET解決方案，可最大程度減少短路電流。
2. VCONN開(kāi)關(guān)：集成3.0V至5.5V、1W的智能可靠VCONN開(kāi)關(guān)，并具備保護(hù)功能。
3. 過(guò)壓保護(hù)：在HVD +、HVD -、HVCC1和HVCC2上集成24V保護(hù)。
4. ESD保護(hù)：集成±15kV空氣、±8kV接觸的ISO 10605和IEC 61000 - 4 - 2 ESD保護(hù)。
5. 工作溫度范圍：可在 - 40°C至125°C的溫度范圍內(nèi)工作。

三、電氣特性

（一）電源

輸入電壓范圍為4.5V至36V，關(guān)斷狀態(tài)下IN引腳的電源電流典型值為16μA，待機(jī)狀態(tài)下為2.3mA。IN引腳的欠壓鎖定閾值默認(rèn)設(shè)置為7.3V，可通過(guò)IN_UV_THRESH[3:0]寄存器在4.5V至8.5V范圍內(nèi)以0.4V為步長(zhǎng)進(jìn)行編程。

（二）內(nèi)部調(diào)節(jié)器

BIAS輸出電壓在VIN > 6V且IBIAS為0mA至60mA時(shí)為4.7V至5.4V；VDD_USB輸出電壓為3.0V至3.6V；VDD_BMC輸出電壓（僅MAX25430B）為1.05V至1.2V。

（三）熱關(guān)斷

熱關(guān)斷溫度上升閾值為165°C，熱關(guān)斷遲滯為10°C。

（四）降壓 - 升壓控制器

根據(jù)VOUT_SEL[1:0]寄存器的設(shè)置，可輸出5V、9V、15V和20V的電壓。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的VBUS電壓上升和下降斜率為0.8mV/μs，軟啟動(dòng)斜坡時(shí)間為4.0ms至9.0ms。

四、功能模塊

（一）USB Type - C和電源傳輸

1. 配置通道（CC1和CC2）

Type - C通過(guò)CC線(xiàn)來(lái)維護(hù)USB主機(jī)/設(shè)備關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電流能力的通告和檢測(cè)、電纜方向的檢測(cè)以及數(shù)據(jù)角色的建立等功能。

2. CC直通開(kāi)關(guān)

提供受保護(hù)的通信路徑，確保USB - PD控制器與手持設(shè)備之間的通信安全。

3. VCONN開(kāi)關(guān)

支持VCONN電源控制和保護(hù)，可將電壓源連接到合適的HVCC引腳，并具備過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)功能。

（二）端口控制器和電源傳輸（僅MAX25430B）

1. 端口控制器接口（TCPCI）

實(shí)現(xiàn)了符合USB Type - C端口控制器接口Rev. 2.0 Ver. 1.1的TCPCI，為USB Type - C端口管理器（TCPM）和USB Type - C端口控制器（TCPC）之間提供了標(biāo)準(zhǔn)化接口。

2. BMC發(fā)射器

支持通過(guò)BMC接口在HVCC通道上進(jìn)行USB - PD消息的發(fā)送和接收，符合USB Power Delivery規(guī)范的BMC眼圖規(guī)格。

3. VBUS 10位ADC

可對(duì)VBUS電壓進(jìn)行連續(xù)采樣，轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在VBUS_VOLTAGE_L和VBUS_VOLTAGE_H寄存器中。

（三）VBUS放電

具備VBUS強(qiáng)制放電和自動(dòng)放電功能，符合USB - PD和TCPCI規(guī)范。

（四）BC1.2充電檢測(cè)

集成了最新的USB - IF電池充電規(guī)范修訂版1.2的CDP和DCP電路，以及適用于蘋(píng)果兼容設(shè)備的1.0A和2.4A電阻偏置選項(xiàng)。

（五）保護(hù)功能

1. USB 2.0數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)

D +和D -引腳為USB數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)的受保護(hù)側(cè)，HVD +和HVD -引腳可耐受汽車(chē)高ESD和高達(dá)24V的電壓瞬變。

2. CC直通開(kāi)關(guān)

CC1和CC2引腳為CC開(kāi)關(guān)的受保護(hù)側(cè)，HVCC1和HVCC2引腳可耐受汽車(chē)高ESD和高達(dá)24V的電壓瞬變。

3. 屏蔽層短路到電池保護(hù)

G后綴的器件集成了USB屏蔽層短路到電池保護(hù)功能，可檢測(cè)并控制外部NFET以保護(hù)系統(tǒng)。

五、I2C接口與控制

（一）I2C診斷和事件處理

MAX25430作為I2C從設(shè)備，需要I2C主機(jī)與其內(nèi)部寄存器進(jìn)行通信。其7位設(shè)備地址可通過(guò)ADDR輸入引腳設(shè)置為0x50、0x51、0x52或0x53。

（二）中斷輸出（ALERT引腳）

ALERT是一個(gè)低電平有效、開(kāi)漏輸出引腳，用于向I2C主機(jī)通知中斷。

（三）I2C從機(jī)尋址（ADDR引腳）

設(shè)備啟用后，I2C從機(jī)地址根據(jù)ADDR引腳設(shè)置并鎖存。

（四）I2C協(xié)議

支持多種I2C事務(wù)，包括讀字節(jié)、寫(xiě)字節(jié)、讀字、寫(xiě)字、讀塊和寫(xiě)塊等。

六、寄存器映射

MAX25430的寄存器映射涵蓋了USB Type - C和USB - PD寄存器、電源、保護(hù)和傳統(tǒng)USB寄存器等多個(gè)部分，每個(gè)寄存器都有其特定的功能和用途。例如，PWR_OUT_CONTROL寄存器用于設(shè)置VBUS過(guò)流閾值和輸出電壓選擇；CABLE_COMP_CONTROL寄存器用于設(shè)置電纜補(bǔ)償增益等。

七、應(yīng)用信息

（一）TCPC功能（僅MAX25430B）

MAX25430B的TCPC邏輯可實(shí)現(xiàn)USB - PD消息的接收和發(fā)送。接收消息時(shí)，通過(guò)I2C讀取相關(guān)寄存器來(lái)確定狀態(tài)變化，并從RX_BUFFER中提取和解碼消息；發(fā)送消息時(shí)，先將編碼后的PD消息加載到TX_BUFFER，然后通過(guò)寫(xiě)入TRANSMIT寄存器觸發(fā)發(fā)送過(guò)程。

（二）降壓 - 升壓組件選擇

1. 電感選擇

根據(jù)電感電流紋波作為最大電感電流的百分比來(lái)選擇電感值，同時(shí)要考慮電感的飽和電流和DCR等因素。

2. 輸入電容設(shè)計(jì)

輸入電容可降低從電源汲取的峰值電流，減少電路開(kāi)關(guān)引起的輸入噪聲和電壓紋波。根據(jù)輸入電壓紋波要求選擇合適的電容值。

3. 輸出電容設(shè)計(jì)

輸出電容的選擇要滿(mǎn)足輸出負(fù)載瞬態(tài)要求，根據(jù)最大允許的輸出電壓過(guò)沖/欠沖來(lái)選擇電容值。

4. 輸出電壓設(shè)置

通過(guò)VOUT_SEL[1..0]寄存器選擇VOUT目標(biāo)電壓，并使用COMMAND[7..0]寄存器啟用降壓 - 升壓并請(qǐng)求新的目標(biāo)VOUT電壓。

5. 電流感測(cè)電阻選擇

使用三個(gè)外部電流感測(cè)電阻提供電流信息，根據(jù)應(yīng)用的最大輸入電流選擇輸入電流感測(cè)電阻，建議使用2.5mΩ的RCS2電阻。

6. 斜率補(bǔ)償

通過(guò)編程SLP[2:0]寄存器設(shè)置斜率補(bǔ)償峰值斜坡電壓，以確保電流模式控制的穩(wěn)定性。

7. 誤差放大器補(bǔ)償設(shè)計(jì)

采用外部頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮RHP零頻率對(duì)轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性的影響。

8. 外部MOSFET選擇

選擇合適的外部MOSFET，考慮其導(dǎo)通電阻、擊穿電壓、輸出電容和輸入電容等參數(shù)。

9. 升壓電容和二極管選擇

根據(jù)MOSFET的總柵極電荷和允許的電壓紋波選擇升壓電容，根據(jù)平均柵極驅(qū)動(dòng)電流和二極管的阻斷電壓選擇升壓二極管。

（三）USB電纜補(bǔ)償

通過(guò)調(diào)整輸出電壓目標(biāo)來(lái)補(bǔ)償電纜電壓降，根據(jù)系統(tǒng)電阻計(jì)算RCOMP值，并通過(guò)GAIN[5:0]寄存器選擇合適的設(shè)置。

（四）CC線(xiàn)上的電容

為符合USB - PD規(guī)范，在CC線(xiàn)上使用270pF陶瓷電容。

（五）VCONN電壓降預(yù)算

設(shè)計(jì)VCONN電源時(shí)要考慮電阻對(duì)電壓的影響，確保在負(fù)載下滿(mǎn)足Type - C規(guī)范的要求。

（六）未來(lái)兼容性設(shè)計(jì)

為確保與未來(lái)USB - PD PPS引腳兼容產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)向后兼容性，建議在NC引腳到AGND之間放置Type - 2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的元件焊盤(pán)。

八、PCB布局指南

（一）降壓 - 升壓PCB布局

1. 合理安排高功率組件，避免干擾敏感信號(hào)。
2. 輸入和輸出電容及電流感測(cè)電阻應(yīng)靠近MOSFET，形成小的交流電流環(huán)路。
3. 減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積，降低寄生電感。
4. 使用Kelvin感測(cè)連接和短而厚的柵極連接。
5. 利用內(nèi)部PCB層作為接地平面，增加過(guò)孔以改善接地連接。
6. 合理放置BIAS電容、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件和自舉電容。

（二）USB PCB布局

1. 靠近引腳放置VDD_USB和VCONN陶瓷電容，提供低阻抗接地路徑。
2. 保持HVCC跡線(xiàn)短而寬，減少VCONN電壓降。
3. 對(duì)于MAX25430B，靠近引腳放置VDD_BMC陶瓷電容。

（三）屏蔽層短路到電池PCB布局

FET和電阻RS應(yīng)靠近Type - C連接器，確保低阻抗接地路徑。

九、ESD保護(hù)

MAX25430無(wú)需外部ESD保護(hù)，自身集成了ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，可承受±15kV IEC 61000 - 4 - 2（150pF，330Ω）空氣間隙、±8kV IEC 61000 - 4 - 2（150pF，330Ω）接觸、±15kV ISO 10605（330pF，2kΩ）空氣間隙和±8kV ISO 10605（330pF，2kΩ）接觸的ESD沖擊。

綜上所述，MAX25430是一款功能強(qiáng)大、性能可靠的汽車(chē)USB - PD充電和保護(hù)解決方案，為汽車(chē)電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇組件、優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮MAX25430的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用MAX25430的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。