尽管受疫情影响，2020年中国仍以累计2531.1万辆汽车销量位居世界第一。而USB作为目前应用最为广泛的移动外设与主机间通讯的接口，具有成本低、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，在车载娱乐和存储设备上获得了广泛的应用。

为了同时支持电源和数据能力，并且适应不断快速变化的便携式设备市场，USB充电端口必须满足与电源、数据传输和鲁棒性相关的各种系统要求，以及保护USB主机免受汽车环境中常见危险状况的影响。本文以ADI降压型开关稳压器LT8698S为例，探讨满足汽车环境中现代USB充电端口要求的解决方案。

从汽车环境谈起，汽车USB电源系统该如何设计？

作为车内元器件之一，USB端口需要满足许多其他在车辆使用中的边界条件。包括非常苛刻的环境要求——在遭受振动、潮湿、气体污染和机械应力的情况下，相关部件必须能在指定的温度范围内正常运行。那么，汽车USB充电器系统该如何设计呢？下图展示了一个典型的系统框图。

*汽车USB充电器框图

在该系统框图中，包括了开关变换器、USB充电端口仿真器和功率开关IC等主要器件。其中，开关变换器从电池产生5V电压为VBUS供电，USB充电端口仿真器则确定所连接设备的最佳充电电流，从而通过充电端口模式（如USB BC 1.2 CDP、DCP等）实现快速充电。而USB功率开关用作限流器和开关，可检测和限制总线电流。最后，端口控制器支持所连接设备与USB主机之间进行USB 2.0高速数据传输。

如前文所言，USB端口处于恶劣的汽车环境中，因此在设计过程中还需要对敏感的USB电路加以保护。比如，USB端口往往要面对插座的静电放电(ESD)事件和线缆故障事件，而这些事件可能会使受影响的线路遭受远超过其正常工作值的电压。由ADI公司推出的开关稳压器LT8698S为此而生。

*汽车USB电源系统简化框图

LT8698S是一款紧凑型、高效率、同步单片降压型开关稳压器，设计用于从高达42V的输入电压为5V USB VBUS轨提供高达3A的电源。基于LT8698S单IC USB控制器解决方案构建，将开关变换器和功率开关的功能集成到4mm×6mm的封装中，同时提供能抵御ESD事件和线缆故障的强大数据线保护。该方案还包含了在USB端口和便携式设备之间独立执行USB BC 1.2 CDP协商序列的所有必需硬件，使得CDP兼容设备能够从VBUS汲取高达1.5 A的电流，同时能与主机进行高速通信。

汽车USB还需注意这些坑：压降补偿、主机保护...

当前，市面主流汽车会标配2个及以上USB接口，通常分布在驾驶员中控下方，及后排空调出风口附近。而USB主机一般位于仪表板中，这意味着后排空调出风口附近的USB接口与控制器的物理相对较远，此时就需要线缆压降补偿使VBUS轨保持精确的5V稳压状态，确保后排乘客的充电体验。LT8698S具有可编程线缆压降补偿功能，可在USB插座上执行出色的调节，而无需额外的开尔文检测线路。

*线缆压降补偿的工作原理

具体而言，LT8698S在其RCBL引脚上通过RCBL接地电阻产生46 × (VOUT/ISP – VBUS/ISN)/RCBL的电流源。此电流与通过连接在稳压器输出和USB5V引脚之间的RCDC电阻流入USB5V引脚的电流相同。这会在RCDC电阻两端产生一个高于5V USB5V反馈引脚的电压偏移，其与RCDC/RCBL电阻比成比例。最终，LT8698S根据负载电流将BUS/ISN引脚调节到一个高于负载目标5V的点（最大限值为6.05V），以维持插座VBUS引脚的精确调节。

除了线缆压降补偿外，汽车环境存在的多种危害（如线缆故障导致数据线承受电池电压或接地，以及USB插座处的大ESD冲击等）需要设计者为USB主机提供必要的保护。LT8698S的HD+和HD–引脚可承受高达20VDC，并阻止高达8kV的接触放电和15 kV的空气放电IEC 61000-4-2 ESD事件，同时也能保护主机免受这些恶劣状况的影响。此外，USB5V、OUT/ISP和BUS/ISN引脚可承受输出电压故障，包括高达42V的直流电压。发生输出故障时，闩锁和自动重试功能可精确限制平均输出电流。

*辐射EMI性能

此外，汽车电子系统电源的一项关键要求是低EMI，通常需要满足CISPR 25 5类排放标准。LT8698S采用Silent Switcher® 2技术进行设计，使得USB电源能够满足这些严格的汽车EMI标准，而不会牺牲解决方案的尺寸、效率和鲁棒性。

由于移动设备品牌五花八门，以及各类私有充电协议的盛行，兼容性成为当前汽车USB电源设计需要面临的另一个课题。上图展示了LT8698S/LT8698S-1与多种USB连接器类型、充电器协议和数据接口的兼容性。可以看到，在USB Type-C接口下基于LT8698S可实现最高5V/3A即15W的功率输出，可满足智能手机等移动设备较为快速的补电需求。

小结

得益于USB接口在众多移动电子设备中的广泛应用，USB正逐步发展成为一项标准的传输协议，因此在车辆上配置这类通用总线设备是非常合理和明智的选择。不过面对汽车环境中的各种现实危险事件，汽车USB必须在电源、数据传输支持和鲁棒性方面应对各种系统挑战。ADI公司推出的LT8698S USB充电器IC很好的解决了这些挑战，包括线缆压降补偿、保护USB主机、提供USB数据传输信号完整性、出色的EMI性能，并支持USB type-C充电最高15W的输出功率。