5000 kelimelik uzun bir metin, araç USB güç kaynağının tüm yönlerini yorumlar
5000 kelimelik uzun bir metin, araç USB güç kaynağının tüm yönlerini yorumlar
Tarih: 2020-02-25
Kaynak: Cypress Semiconductor
Özet:Mühendisler, şarjın ne kadar uygun olduğuna bakılmaksızın perde arkasında birçok yol düşünmüşlerdir. Geleceğe bakarken, USBType-C arayüzünü desteklemeyen bir araba satın almayın.
Taşınabilir elektronik cihazların yaygınlaşmasıyla, kullanıcılar araçlarını sürüş sırasında daha sık şarj etmektedir. USB güç kaynağı işlevi, cihazı şarj etmeyi son derece kolaylaştırır. USB'nin yüksek veri hızı, yeni nesil bilgi-eğlence sistemlerinin ses çalma, ekran ve uygulama paylaşımı ve veri bağlantıları gibi çeşitli araç içi işlevleri desteklemesini sağlar.
Geleneksel USB Tip-A arabirimi, otomobil OEM üreticilerinin çeşitli modellerinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve güç kaynağı kapasitesi 7,5 W'a kadardır (5V voltaj, 1,5A akıma kadar). USB Type-C arabirimlerinin PC'ler, akıllı telefonlar ve diğer taşınabilir elektronik cihazlardaki hızlı popülaritesi ile USB Type-A arabirimleri hızla ortadan kalkmaktadır. USB Type-C yarı iletken pazarının 2022 yılına kadar 900 milyondan fazla parça satması bekleniyor (Kaynak: Gartner 2018 raporu ve Cypress tahminleri).
USB Type-A arabirimiyle karşılaştırıldığında, USB Type-C arabirimi daha kompakt bir yapıya sahiptir, evrensel bir bağlantıya sahiptir, öne ve arkaya takılabilir ve kablo takarken yön kısıtlaması yoktur (Type-C kablosunun her iki ucundaki fişler tamamen aynıdır). Ek olarak, çıkış gücünü 100W'a kadar (20V voltaj, 5A akıma kadar) önemli ölçüde artırabilir. 7.5W'dan çok daha yüksek güç sağlayabildiğinden, çok çekici yeni bir kullanım modu elde edebilir, hızlı bir şekilde şarj edilebilir ve aynı anda arabadaki tablet bilgisayarlar, dizüstü bilgisayarlar ve hatta elektrikli tıraş makineleri gibi artan sayıda aktif cihazı şarj edebilir. Bıçak (bkz.Şekil 1).
Şekil 1. Çeşitli cihazları şarj etmek için gereken güç ve gereksinimleri karşılayabilecek USB özellikleri.
Yeni nesil güç kaynağı özelliğine sahip bir USB Type-C arayüzünü bir araca yerleştirmek için yapılan iş, güç kaynağı bağlantı noktasının voltajını ve akımını artırmaktan çok daha fazlasıdır.Aynı zamanda ticari ve tüketici ürünlerinin USB bağlantı noktasından farklı bir tasarım yöntemi gerektirir. . Bu yazımızda, USB'nin araçlarda nasıl kullanılacağını, USB Type-C ve PD (Power Delivery) denetleyicilerinin sahip olması gereken işlevleri, birlikte çalışabilirliğin etkisini ve USB Type-C tasarımında dikkat edilmesi gereken ana faktörleri tartışacağız.
Güç Dağıtımı ( Güç kaynağını görüşün )
Zamanımızın hızı artıyor ve cihazlarımızı daha hızlı ve daha sık şarj edebilmemiz gerekiyor. 100 W güç kaynağı kapasiteniz varsa, dizüstü bilgisayarınızı ve cep telefonunuzu yaklaşık 15 dakikada tam olarak şarj edebilirsiniz.
Güç kaynağı kapasitesinin iyileştirilmesi, araç USB'sinin anahtarıdır. Kullanıcı, yeni cep telefonunu araçtaki eski bağlantı noktasından şarj etmek için Type-A - USB-C adaptörünü kullanabilse de, bu USB Type-C arayüzünün avantajlarına tam anlamıyla yer vermiyor. USB Type-C arayüzüne sahip yeni nesil cep telefonları hızlı şarj kabiliyetine sahip olsalar da, USB Type-A arayüzünün 7.5W güç kaynağı kapasitesi ile sınırlandırılmıştır. Açıktır ki, tam güç kaynağı müşteri memnuniyeti ve araç farklılaştırma avantajlarında önemli bir rol oynayacaktır.
Genel olarak bakıldığında, otomotiv OEM'lerinin arabadaki her USB Type-C bağlantı noktası için tam güç 100W sağlamasına gerek yoktur. Şarj süresini veya güvenilirliği ciddi bir şekilde etkilemeden maliyeti düşürmek için, 100W güç kaynağı, dinamik yük paylaşımı denilen şeyi elde etmek için birden fazla bağlantı noktası arasında paylaşılabilir. Toplam 100 W güç olması durumunda, karşılık gelen aygıt yazılımı ile ikinci bir cihaz takıldığında, USB PD denetleyicisi akıllı dağıtım gerçekleştirebilir, USB Type-C bağlantı noktasının gücünü 60W'a düşürür ve ikinci fiş Cihaz 40W güç elde edebilir (bkz. Şekil 2).
Şekil 2. Maliyetleri düşürmek için, 100 W güç kaynağı, dinamik yük paylaşımı adı verilen birden çok bağlantı noktası arasında paylaşılabilir. A) Tek bir cihaz 100W güç ile şarj edilir; B) İkinci cihaz takıldıktan sonra, iki cihaz bağlantı noktasından sağlanan gücü paylaşabilir.
USB Type-C ve PD denetleyici
USB Type-C ve Power Delivery (PD) protokollerinin karmaşıklığıyla başa çıkmak için PD denetleyicisi, yerleşik bir mikroişlemciyi PD mantığıyla bütünleştirir. Tipik olarak, mikroişlemcinin sabit yazılımı, işlemci üreticisi tarafından indirilebilir bir dosya olarak veya doğrudan geliştirme ortamı tarafından oluşturulmuş olarak sağlanır.
Otomotiv OEM'lerinin araçların uzun yaşam döngüsü boyunca son derece güvenilir çözümler sunması için USB sertifikasını geçmek yalnızca minimum gerekliliktir. Kontrolör, USB alt sisteminin güvenilirliğini sağlamak için olgun bir yazılım yığını tarafından desteklenmeli ve pazar testini geçmelidir. Ek olarak, birlikte çalışabilirlik de gereklidir. Çünkü USB spesifikasyonuna uyan iki cihaz birlikte çalışmayabilir.
Birlikte çalışabilirlik, otomotiv uygulamalarında önemli bir rol oynamaktadır.Zayıf birlikte çalışabilirlik, kullanıcı memnuniyetini olumsuz etkileyecektir. USB bağlantı noktası otomobilin önemli bir işlevi haline geldi.Şarj etme, müzik akışından akıllı telefon etkileşimine kadar, giderek daha fazla işlev USB bağlantı noktasını kullanıyor. Bir araba satın alırken, insanlar bazen motorun ne kadar iyi çalıştığından ziyade bir cep telefonuna kolayca bağlanıp bağlanamayacaklarına ve müzik çalabileceklerine daha çok önem veriyorlar.
Otomobillerin uzun bir hizmet ömrü var, sadece bugün piyasadaki hemen hemen her akıllı telefon, tablet ve dizüstü bilgisayarla birlikte çalışmakla kalmayıp, aynı zamanda önümüzdeki birkaç yıl içinde piyasaya sürülecek elektronik cihazlarla birlikte çalışması gerekiyor. Sıradan akıllı telefonların iki yılda bir değiştirildiği düşünüldüğünde, birlikte çalışabilirlik daha da önemli hale geliyor.
Ek olarak, birçok standart gibi, USB PD standardı da zamanla gelişecektir. Örneğin mevcut standart, programlanabilir güç kaynağı (PPS) işlevleriyle Power Delivery 3.0 ve Quick Charge (QC) 4.0'ı destekler. Bu spesifikasyonlardan herhangi biri değişirse (aslında, USB Tip-C spesifikasyonu ve PD spesifikasyonu değiştiyse), araç piyasadaki yeni cihazlarla tam uyumlu olmayabilir.
Yüksek güvenilirlik ve birlikte çalışabilirlik elde etmenin tek yolu programlanabilir bir USB denetleyici kullanmaktır. Programlanabilir denetleyicilerin kullanılması, USB PD protokol yığınının en yeni cihazlarla birlikte çalışabilmesi için yükseltilmesine yardımcı olur. Arabanın çalışması için yazılım kullanması gereken çok sayıda bileşen olduğundan, sürücünün alışkanlığı, bu yazılım yükseltmelerinin araç sahibi için şeffaf olmasıdır. Çünkü bir araba bakıma girdiğinde, teknisyenler genellikle ürün yazılımını yükselterek işe başlarlar.
Denetleyicinin yerleşik bir işlemcisi olmasına rağmen, programlanabilirliğe sahip olmayabilir. Örnek olarak sabit işlevli USB denetleyiciyi ele alalım, programlama gerektirmez ve daha düşük bir fiyata satılır. Alternatif olarak, konfigüre edilebilir bir kontrolör, sınırlı sayıda önceden programlanmış konfigürasyon seçeneği sağlayabilir.
Sabit işlevli denetleyiciler ve yapılandırılabilir denetleyiciler, tüketici elektroniği cihazları (USB fareler gibi) gibi uygulamalar için çok uygundur. Bu tür bir uygulamanın ürün ömrü en fazla birkaç yıldır ve ürün etkileşimi basittir ve yalnızca sınırlı sayıda açıkça tanımlanmış cihazla (PC'ler ve dizüstü bilgisayarlar gibi) birlikte çalışması gerekir.
Programlanabilir USB denetleyicisi, geliştiricilerin denetleyicinin işlevlerini tam anlamıyla oynamasına izin verdiğinden, birden çok aygıtın ve çeşitli kullanım durumlarının birlikte çalışabilirliği için en iyi deneyimi sağlar. Geri bildirim yoluyla, kontrolör, belirli ekipman için performansı optimize etmek üzere kendi ayarlarını dinamik olarak ayarlayabilir ve ayarlayabilir. Ayrıca, yeni standartlar ortaya çıktığında veya beklenmedik sorunlar ortaya çıktığında, aygıt yazılımı yükseltmeleri yoluyla bu USB denetleyici bu sorunları çözecek kadar esnektir. Bu, otomotiv OEM'lerinin aracın ömrü boyunca birlikte çalışabilirlik, kalite ve güvenilirlik sağlamasına yardımcı olur.
Bu denetleyicinin işlevlerini tam olarak oynatmak için geliştiricilerin denetleyiciyi doğrudan programlamasına gerek olmadığını belirtmekte fayda var. Geliştiriciler, gelişmiş geliştirme araçlarını kullanarak denetleyicinin çeşitli çalışma modlarını tanımlayabilir. Ardından, geliştirme aracı otomatik olarak doğru ürün yazılımını oluşturabilir. Bu araçlar aynı zamanda denetleyiciyi güncelleme sürecini de basitleştirir.
Buna ek olarak, bazı USB denetleyici üreticileri de yeni USB cihazlarının birlikte çalışabilirliğini yönetmekten ve teknik özelliklerdeki değişikliklerle başa çıkmak için araçtaki USB-C bağlantı noktalarına yükseltmeler için ürün yazılımı sağlamaktan sorumludur. Otomotiv OEM'lerinin bu işi kendi başlarına yapacak mühendislik kaynaklarını düzenlemelerine gerek yoktur.
Araba USB denetleyicileri, standartlaştırılmış ürünlerden farklıdır. USB fare çalışmayı durdurursa, 10 dolardan daha ucuza değiştirilebileceğini hayal edin. Ancak arabanın USB bağlantı noktası çalışmayı durdurursa, onu geri yüklemek için pahalı garanti onarımlarına ihtiyacı vardır. Bu nedenle, araç içi USB denetleyicileri daha yüksek standartları karşılamalıdır. Verim oranı, tüketici ürünlerinden çok daha yüksek olmalıdır. Otomotiv uygulamaları için elektronik ekipman, daha yüksek çalışma sıcaklıklarına dayanabilmelidir. Otomotiv bileşenlerinin garanti süresi, sıradan tüketici elektroniğinden çok daha uzundur. Örneğin, tüketici kontrolörleri için garanti süresi kısa olabilirken, otomotiv OEM'lerinin gerektirdiği garanti süresi 10 yılı aşıyor.
Araç düzeyinde kullanılabilirliği sağlamak için beş teknoloji
Daha büyük güç kaynağı özelliğine sahip bir USB C Tipi alt sistemi tasarlamanın ana zorluklarından biri, güç kaynağının yüksek voltajlı kapı sürücülerinin yanı sıra aşırı gerilim, aşırı akım, ESD ve kısa devre koruması gerektirmesidir. Ek olarak, kabin üzerindeki sinyal uzun bir kablodan geçtiğinde sinyal kalitesini sağlamak için kablo kompanzasyonu da gereklidir. Bir arabanın iç alanı genellikle sıkışıktır ve çoğu zaman zorlu çevre koşulları altında çalışır Güvenilir bir çalışma sağlamak için, aşırı ısınmayı ve hasarı önlemek için sıcaklık kontrolü ve güç kontrolü de gereklidir. Ek olarak, USB Type-C'ye geçiş sırasında OEM üreticilerinin geleneksel USB Type-A aygıtlarını desteklemesi gerekir.
Devre koruması: USB bağlantı noktasının fiili kullanım ortamında, USB devresinin bir dizi elektriksel olaya karşı korunması gerekir. Bunlar arasında en yaygın olanı elektrostatik deşarjdır (ESD). Örneğin, plastik sandalyeler üzerinde hareket eden veya halıları ovuşturan yolcular elektrostatik yük biriktirecektir. Açıktaki USB bağlantı noktasına dokunurlarsa, arabadaki karmaşık elektronik ekipmana zarar verebilirler, bu da onarımı zor ve onarımı pahalıdır.
ESD'yi önlemek için, enerjinin güvenli bir şekilde dağıtılabilmesi için sistemin kalkan toprağına bağlanması gerekir. İdeal olarak, kontrolör ESD korumasını entegre etmelidir. Genel olarak, 8 KV kontak deşarj koruması ve 15 KV hava deşarj koruması, kontrol cihazını ESD olaylarından kaynaklanan hasarlardan korumak için yeterlidir. Ek olarak, korumayı daha da artırmak için PCB'ye ek ESD koruma diyotları da takılabilir.
USB bağlantı noktasının ayrıca yanlışlıkla aşırı gerilim (OV) ve aşırı akım (OC) koşullarına karşı koruma sağlaması gerekir. Aşırı gerilim ve aşırı akım genellikle cihazın şarj edilmesi sırasında meydana gelir. Şarj işlemi başladığında, cihaz ve güç kaynağı sistemi akım ve voltaj açısından tutarlı olmalıdır. Bununla birlikte, sistem yanlış voltaj veya akım sağlarsa, cihazı korumak için aşırı voltaj koruması (OVP) veya aşırı akım koruması (OCP) devresinin tetiklenmesi gerekir.
Ek olarak, kısa devre koruması da gereklidir. Kablo belirli bir açıda çekildiğinde, Vbus pini belirli bir dijital pimle anlık olarak kısa devre yapabilir. Vbus voltajı 20V kadar yüksek olabilirken, dijital pinler sadece 5V'a dayanabilir.Bu kısa devre ilgili portlara zarar verir. A Tipi bağlantı noktaları ile karşılaştırıldığında, kısa devre koruması USB C Tipi bağlantı noktaları için daha önemlidir. Bunun nedeni, Type-C portunun daha kompakt bir alanda 22 pin (ve Type-A'da 9) ile paketlenmiş olması ve dolayısıyla Vbus kısa devre olasılığının artmasıdır.
İdeal olarak, USB denetleyicisi kısa devre korumasını entegre etmelidir. Kısa devre koruması, bir kısa devre oluştuğunda denetleyicinin zarar görmemesi için sıfırlanabilir. Daha sonra, kısa devre olayı geçici olarak kurtarılabilir bir olay haline gelecek şekilde C Tipi bağlantı noktası işlevini geri yüklemek için denetleyici sıfırlanabilir ve aracı onarım için geri çağırmaya gerek kalmaz. Entegre bir kısa devre koruma işlevi yoksa, denetleyici yanabilir ve ciddi sorunlara neden olabilir.
Yüksek gerilim kapısı sürücüsü: Geriye dönük uyumluluğu desteklemek için, USB Type-C arayüzünün varsayılan voltajı 5V'tur. Besleme voltajı belirlendikten sonra, daha yüksek güç kaynağını desteklemek için denetleyicinin 5V FET'ten 20V FET'e geçmesi gerekebilir. Bu fonksiyon kontrolöre entegre değilse, Vbus için 20V sağlamak üzere daha güçlü bir FET'i sürmek için harici bir devreye ihtiyaç vardır.
Kablo telafisi: Kolaylık sağlamak için USB bağlantı noktaları, orta konsol, arka koltuklar arasındaki merkezi saklama kutusu ve / veya torpido gözü gibi aracın her yerine yerleştirilebilir. Yalnızca güç kaynağı için kullanılmayan (veri işlevleri gibi) USB bağlantı noktaları için, USB denetleyicilerin bilgi-eğlence sistemlerinde de kullanılması muhtemeldir. Saklama kutusundaki bağlantı noktasını bilgi-eğlence sistemine bağlamak, 10 fit'e kadar USB kablosu gerektirebilir. Bu kadar uzun bir kablonun kullanılması, ciddi voltaj düşüşüne neden olabilir ve sinyal kalitesini ve güvenilirliğini olumsuz etkileyebilir.
Uzun kabloda sinyal kalitesini güvenilir bir çalışma aralığında tutmak için kontrolör kompanzasyon uygulayabilir. Basitçe söylemek gerekirse, denetleyicideki aygıt yazılımı, uzun kablonun oluşturduğu basınç farkını telafi etmek için çıkış voltajını ayarlayabilir. Bu telafi, kullanılan kablo uzunluğuna göre sabit bir değer alabilir ve kontrolör, alınan sinyali periyodik olarak izleyerek ve kompanzasyon ayarını değiştirerek dinamik basınç düşüşü telafisi de gerçekleştirebilir.
Aşırı sıcaklık güç kontrolü: USB Type-C'yi kullanmanın bir diğer zorluğu, 100W'a kadar güçle şarj ederken oluşan büyük miktarda ısı sorununu nasıl çözeceğidir. Aşırı ısınma, bir yangının başlatılması ve / veya şarj edilmekte olan cihazın hasar görmesi dahil bir dizi soruna neden olabilir. Bilgi-eğlence sistemleri veya navigasyon sistemleri için elektronikler gibi bitişik, ısıya duyarlı bileşenler de olumsuz etkilenebilir. Aşırı ısı dağılımı USB bağlantı noktasının kendisine bile zarar verebilir ve bu da pahalı bakım veya garanti gerektirir.
Aşırı sıcaklık güç kontrolü, aşırı ısınmayı önlemek için etkili bir yöntemdir. Hassas bileşenin yanına yerleştirilen bir termal sensör, termal eşiğe yaklaştığında kontrol cihazını uyaracaktır. Denetleyici daha sonra şarj gücünü azaltır. Gücü azalttıktan sonra ısı azaltılır ve sistem soğutulabilir. Aynı zamanda, bağlı cihaz hala şarj oluyor, ancak hız düşürülüyor. Bu güvenlik işlevi, denetleyicinin mikro işlemcisine entegre edilmeli ve kullanıcıya şeffaf olmalıdır.
Geleneksel USB Tip A bağlantı noktasını destekleyin: Yeni cihazlar USB Type-C arayüzünü kullanacak olsa da, USB Type-A arayüzünü kullanan milyarlarca cihaz bulunmaktadır. Otomotiv OEM'lerinin bu geleneksel cihazlara destek sağlamak için A Tipi bağlantı noktaları sağlaması gerekir. İki ayrı USB alt sistemi tasarlamaya gerek yoktur ve mevcut denetleyici hem Type-A hem de Type-C bağlantı noktalarını destekleyebilir (bkz. Şekil 3). Bu tür entegre denetleyici, sistem tasarımını basitleştirirken toplam ürün reçetesi maliyetini en aza indirir.
Şekil 3 Cypress tarafından sağlanan CCG3PA gibi hibrit denetleyiciler hem Type-C bağlantı noktasını hem de Type-A bağlantı noktasını destekler, böylece kullanıcılar Type-C bağlantı noktası cihazlarını bağlayabilir ve hızlı şarj elde edebilir veya geleneksel Type-A bağlantı noktasına bağlanabilir. Cihaz ve şarj edin.
Güç kaynağının güvenilirliğini sağlamak için yukarıdaki tüm işlevlerin uygulanması gerekir. Bu, araç USB Type-C ve PD alt sistemlerinin maliyetini ve yer kaplamasını önemli ölçüde artıracaktır. Otomotiv pazarı için USB denetleyici, tüm bileşenlerin araç yönetmeliklerinin gereksinimlerini karşılamasını sağlamak için bu işlevleri diğer işlevlerle (bkz. Şekil 4) entegre eder ve birlikte iyi çalışabilir, maliyetleri düşürür ve tasarımı basitleştirir. Birleştirilmesi gereken bileşenlerin sayısını azaltmak, potansiyel arıza noktalarını da azaltabilir ve güvenilirliği artırabilir.
Şekil 4. Burada gösterilen Cypress CCG3PA gibi otomotiv pazarı için tasarlanmış USB Type-C kontrolörler, son derece güvenilir güç kaynağı sağlamak, maliyetleri düşürmek, tasarımı basitleştirmek ve aracın ömrü boyunca iyi performansı sürdürmek için gerekli bileşenleri entegre eder Birlikte çalışabilirlik.
Cypress, tüm nesiller için USB teknolojisinin lider tedarikçisidir. Otomotiv OEM'leri, müşterilerine Power Delivery 3.0 ve Hızlı Şarj 4.0'ın tüm avantajlarını sağlamak için EZ-PD USB-C CCG3PA denetleyicilerini kullanır. CCG3PA değerlendirme kiti, aygıt yazılımı üretimi de dahil olmak üzere USB Type-C güç adaptörü / şarj cihazı ve güç bankası tasarımı için kapsamlı destek sağlayabilir.
USB PD hızla otomobillerde standart bir özellik haline geldiğinden, yeni nesil taşınabilir cihazlarla birlikte çalışabilirlik anahtar hale geldi. Otomobilin USB Type-C arayüzünü desteklemesi gerekiyor. USB Type-A'dan USB Type-C'ye yükseltme, hızlı şarj gibi yeni işlevleri de destekleyebilir. Aracın yaşam döngüsü boyunca yüksek kaliteyi ve birlikte çalışabilirliği sürdürmek için, tasarımcılar, USB spesifikasyonundaki değişikliklere uyum sağlayacak ve yeni spesifikasyona dayalı olarak gelecekteki ürünlerle birlikte çalışacak kadar esnek olan programlanabilir kontrolörlere ihtiyaç duyuyor. OEM'ler, dahili elektronik ekipman için koruma sağlamak üzere kontrolöre temel işlevleri entegre ederek, yalnızca güvenilirliği garanti etmekle kalmaz, aynı zamanda sistem maliyetlerini de en aza indirebilir.
Telif hakkı bildirimi: Özel olarak belirtilen orijinal makalelere ek olarak, bu sitenin içeriği sadece daha fazla bilgi vermek içindir ve bu sitenin görüşlerini kabul ettiği anlamına gelmez. Yeniden basılmış tüm makalelerin, resimlerin, ses / video dosyalarının ve diğer materyallerin telif hakkı telif hakkı sahibine aittir. Bu sitede kullanılan orijinal olmayan yazıların ve resimlerin içeriği ile telif hakkının doğrulanması için tek tek iletişime geçilemez. Çalışmanın içeriği, telif hakkı ve diğer konular söz konusuysa, lütfen bize e-posta veya telefon yoluyla zamanında bildirin, böylece her iki taraf için de gereksiz ekonomik kayıpları önlemek için hızlı bir şekilde uygun önlemleri alabiliriz. İletişim numarası: 010-82306116; e-posta: aet@chinaaet.com.
