Automotive USB-C-Laderegler für 140-W-Leistungsabgabe

USB-Ladesysteme im Fahrzeug müssen zunehmend höhere Leistungen für Notebooks, Tablets und andere mobile Endgeräte bereitstellen und gleichzeitig den Anforderungen automobiler Bordnetze gerecht werden. Diodes Incorporated hat hierfür den APK43070Q vorgestellt, eine Einchip-Lösung, die einen synchronen Buck-Controller mit einem USB Type-C Power Delivery (PD) 3.1 Source Controller kombiniert.

Die Lösung richtet sich an USB-C-Ladeanwendungen im Fahrzeug und vereint Leistungswandlung sowie USB-PD-Steuerung in einem Baustein. Dadurch reduziert sich die Anzahl externer Komponenten für Hochleistungs-Ladeanschlüsse, sowohl in Einzelport- als auch in Mehrport-Systemen.

Integrierte USB-PD3.1-Leistungsmanagementarchitektur
Der APK43070Q arbeitet mit Eingangsspannungen von 4 V bis 36 V und eignet sich damit für die variierenden Spannungsbedingungen in Fahrzeugbordnetzen. Der Controller unterstützt USB PD3.1 Extended Power Range (EPR) mit Adjustable Voltage Supply (AVS) bis 28 V sowie Standard Power Range (SPR) und Programmable Power Supply (PPS) bis 21 V.

Dadurch können USB-C-Ladeports im Fahrzeug Leistungen von bis zu 140 W bereitstellen. Die Unterstützung mehrerer USB-PD3.1-Betriebsarten ermöglicht die Kompatibilität mit einer breiten Palette von USB-C-Geräten und unterstützt gleichzeitig die dynamische Spannungsanpassung.

Synchroner Abwärtswandler für Hochleistungs-Ladeanwendungen
Kern der Lösung ist ein synchroner Step-Down-Controller mit konstanter Schaltfrequenz, der für mittlere bis hohe Ladeleistungen ausgelegt ist. Die Architektur nutzt optimierte Totzeiten, eine hohe Gate-Treiberleistung und eine erhöhte Gate-Spannung, um das Schaltverhalten externer N-Kanal-MOSFETs zu verbessern.

Der Einsatz externer MOSFETs ermöglicht Entwicklern die Auswahl geeigneter Bauteile hinsichtlich Wirkungsgrad, thermischer Eigenschaften und Stromtragfähigkeit. Dies ist insbesondere in Fahrzeuganwendungen relevant, in denen Ladeeinheiten innerhalb begrenzter thermischer Rahmenbedingungen arbeiten müssen.

Zusätzlich unterstützt der Controller einen VIN-DC-Power-Pass-Through-Modus. Dabei übernimmt der High-Side-MOSFET die Funktion des VBUS-Schalters, sodass kein zusätzlicher Ausgangsschalter erforderlich ist. Dies reduziert die Komponentenanzahl und vereinfacht das thermische Management sowie die Auslegung des Leistungspfads.

Mehrport-Leistungsaufteilung ohne externen Mikrocontroller
Eine weitere Funktion ist die integrierte I2C-Schnittstelle mit Controller- und Target-Adressierung. Über eine Widerstandskonfiguration kann die Architektur die Leistungsverteilung über bis zu acht USB-C-Ports koordinieren, ohne dass ein externer Mikrocontroller erforderlich ist.

Für Fahrzeughersteller mit mehreren Ladeanschlüssen vereinfacht dies die Systemarchitektur und reduziert den Entwicklungsaufwand für zusätzliche Steuerungssoftware. Die direkte Verwaltung der Leistungsverteilung innerhalb des Ladesystems kann zudem die Entwicklung von Mehrport-Plattformen innerhalb einer digitalen Lieferkette für Fahrzeugelektronik unterstützen.

Schutzfunktionen für den Einsatz im Fahrzeug
Ladesysteme im Fahrzeug müssen elektrischen Fehlern, Fehlbedienungen von Steckverbindern und Umwelteinflüssen standhalten. Der APK43070Q integriert hierfür Überspannungs-, Überstrom-, Unterspannungs- und Übertemperaturschutzfunktionen.

Darüber hinaus verfügt das Bauteil über eine Feuchtigkeitserkennung am Steckverbinder, die insbesondere in Fahrzeuginnenräumen mit möglichem Flüssigkeitseintritt relevant ist. Die Pins CC1/CC2 sowie DP/DN tolerieren Kurzschlüsse gegen VBUS bis 30 V und tragen damit zum Schutz des Systems bei versehentlichen Fehlverdrahtungen oder Steckverbinderfehlern bei.

Anwendungen für USB-C-Ladesysteme im Fahrzeug
Mit der zunehmenden Verbreitung von USB PD3.1 steigen auch die Leistungsanforderungen an Fahrzeug-Ladeanschlüsse. Während frühere USB-Ports im Fahrzeug häufig Leistungen unter 30 W bereitstellten, ermöglicht USB PD3.1 EPR eine Leistungsabgabe von bis zu 140 W. Dadurch können einzelne Ladeports energieintensive Geräte wie professionelle Notebooks, mobile Workstations oder leistungsfähige Tablets versorgen.

Durch die Integration von USB-PD-Quellensteuerung, Leistungswandlung, Mehrport-Koordination und Schutzfunktionen in einem Baustein adressiert der APK43070Q zentrale Entwicklungsanforderungen moderner Hochleistungs-USB-C-Ladeinfrastrukturen in Pkw, Nutzfahrzeugen und vernetzten Mobilitätsplattformen.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt beschreibt technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die in der ursprünglichen Pressemitteilung nicht enthalten waren.

Der APK43070Q tritt in einen Markt ein, in dem USB-C-Laderegler für den Automotive-Bereich zunehmend USB-PD3.1-Leistungsstufen von mehr als 100 W unterstützen. Vergleichbare Lösungen werden unter anderem von Texas Instruments, Infineon Technologies und NXP Semiconductors angeboten. Diese kombinieren USB-Power-Delivery-Management, DC-DC-Wandlung und automobilqualifizierte Schutzfunktionen.

Zu den wichtigsten Vergleichskriterien in diesem Marktsegment zählen die unterstützte USB-PD-Version, die maximale Ausgangsleistung, die Automotive-Qualifikation, der Eingangsspannungsbereich, die Anzahl externer Komponenten, der Umfang der Schutzfunktionen sowie die Unterstützung von Mehrport-Leistungsmanagement. Der APK43070Q zeichnet sich durch die Integration von USB-PD3.1-Quellensteuerung und synchroner Buck-Regelung in einer Einchip-Architektur aus und unterstützt die Leistungsverteilung über bis zu acht Ports ohne externen Mikrocontroller. Dadurch können Leiterplattenfläche und Systemkomplexität gegenüber Mehrchip-Lösungen mit separaten PD-Controllern, Leistungsstufen und Überwachungs-MCUs reduziert werden.

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

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