车载大功率USB数据充电模块

【技术领域】

本发明涉及车载充电技术领域，特别涉及一种车载大功率USB数据充电模块。

【背景技术】

现如今人们对手机、平板、笔记本等电子产品的依赖程度已经达到了一个很高的程度，电子产品给人们带来极大的方便的同时，也对充电和通信提出了更高的要求。但是，当前市场的车载充电模块存在充电速度慢、输出功率小，不能兼容数据通信等问题。

因此，有必要提出一种改进的技术方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种车载大功率USB数据充电模块，其解决了车载充电速度慢、输出功率小，不能兼容数据通信等问题。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种车载大功率USB数据充电模块，其包括第一充电电路、第二充电电路、Hub芯片、第一USB接口和第二USB接口，所述第一充电电路包括第一直流升降压电路和第一充电协议控制电路，所述第一直流升降压电路用于将其输入端Vin接收到的车载直流输入电源VBAT进行直流-直流转换以得到提供给所述第一USB接口的第一直流电源VBUS1；所述第一充电协议控制电路与所述第一直流升降压电路相连，其基于标准充电协议控制所述第一直流升降压电路经所述第一USB接口给待充电设备进行充电；所述第二充电电路包括第二直流升降压电路和第二充电协议控制电路，所述第二直流升降压电路用于将其输入端Vin接收到的车载直流输入电源VBAT进行直流-直流转换以得到提供给所述第二USB接口的第二直流电源VBUS2；所述第二充电协议控制电路与所述第二直流升降压电路和所述第一充电协议控制电路相连，其基于标准充电协议控制所述第二直流升降压电路经所述第二USB接口给待充电设备进行充电；所述第一USB接口的VBUS1引脚与所述第一直流升降压电路输出的第一直流电源VBUS1相连，其通信引脚CC和所述第一充电协议控制电路的对应引脚相连；所述第二USB接口的VBUS2引脚与所述第二直流升降压电路输出的第二直流电源VBUS2相连，其通信引脚CC和所述第二充电协议控制电路的对应引脚相连。

与现有技术相比，本发明在单口使用时能够为支持标准充电协议的待充电设备提供较大的充电功率；在双口使用时能够为支持标准充电协议的两个待充电设备同时提供较大的充电功率，从而解决了车载充电速度慢、输出功率小，不能兼容数据通信等问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明在一个实施例中的车载大功率USB数据充电模块的电路示意图；

图2为本发明在一个实施例中如图1所示的输入保护及滤波电路的电路示意图；

图3为本发明在一个实施例中的CCG3PA芯片及其外围电路的电路示意图；

图4为本发明在一个实施例中的MPQ4262芯片及其外围电路的电路示意图

图5为本发明在一个实施例中的USB4925芯片及其外围电路的电路示意图；

图6为本发明在一个实施例中如图1所示的直流降压电路的电路示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的耦接、连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接相连，比如A与B相连，既包括A和B直接电性相连，还包括A通过电元器件或电路与B相连。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“正”、“背”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的车载大功率USB数据充电模块的电路示意图。图1所示的车载大功率USB数据充电模块包括第一充电电路110、第二充电电路120、第一USB接口130、第二USB接口140、Hub(集线器)芯片150和直流降压电路170。

第一充电电路110包括第一直流升降压电路112和第一充电协议控制电路114，第一直流升降压电路112用于将其输入端Vin接收到的车载直流输入电源VBAT进行直流-直流转换以得到提供给第一USB接口130的第一直流电源VBUS1；第一充电协议控制电路114与第一直流升降压电路112相连，其基于标准充电协议控制第一直流升降压电路112经第一USB接口130给待充电设备进行充电。

第二充电电路120包括第二直流升降压电路122和第二充电协议控制电路124，第二直流升降压电路122用于将其输入端Vin接收到的车载直流输入电源VBAT进行直流-直流转换以得到提供给第二USB接口140的第二直流电源VBUS2；第二充电协议控制电路124与第二直流升降压电路122和第一充电协议控制电路114相连，其基于标准充电协议控制第二直流升降压电路122经第二USB接口140给待充电设备进行充电。

第一USB接口130的VBUS1引脚与第一直流升降压电路112输出的第一直流电源VBUS1相连，其通信引脚CC和第一充电协议控制电路114的对应引脚相连。

第二USB接口140的VBUS2引脚与第二直流升降压电路122输出的第二直流电源VBUS2相连，其通信引脚CC和所述第二充电协议控制电路124的对应引脚相连。

直流降压电路170用于将车辆提供的直流输入电源VBAT进行直流-直流转换得到给第一充电协议控制电路114、第二充电协议控制电路124和Hub芯片150提供的直流电源，在图1所示的具体实施例中，直流降压电路170为5V-3.3V的直流降压电路。请参考图6所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的直流降压电路的电路示意图，其采用领芯的LDO芯片LN20045Q1EFR实现了直流输入电源VBAT转换为稳定的3.3V电压，提供给CCG3PA_1芯片、CCG3PA_2芯片和USB4925芯片。

在图1所示的具体实施例中，第一直流升降压电路112包括MPQ4262_1芯片(其为MPS的一种电源芯片或直流升降压芯片)，MPQ4262_1芯片内部集成两颗NMOS管(或MOS管)，外围电路配置两颗NMOS管(或MOS管)构成电源升压-降压转换输出电路(即第一直流升降压电路112)，具体请参见图4所示，其为本发明在一个实施例中的MPQ4262芯片及其外围电路的电路示意图；第一充电协议控制电路114包括CCG3PA_1芯片(其为一种充电协议控制芯片)，CCG3PA_1芯片与第一USB接口130的通信引脚CC相连，具体的请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中的CCG3PA芯片及其外围电路的电路示意图；第二直流升降压电路122包括MPQ4262_2芯片(其为MPS的一种电源芯片或直流升降压芯片)，MPQ4262_2芯片内部集成两颗NMOS管(或MOS管)，外围电路配置两颗NMOS管(或MOS管)构成电源升压-降压转换输出电路(即第二直流升降压电路122)，具体请参见图4所示，其为本发明在一个实施例中的MPQ4262芯片及其外围电路的电路示意图；第二充电协议控制电路124包括CCG3PA_2芯片(其为一种充电协议控制芯片)，CCG3PA_2芯片与第二USB接口140的通信引脚CC相连，具体的请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中的CCG3PA芯片及其外围电路的电路示意图；CCG3PA_1芯片和CCG3PA_2芯片通过I2C1总线通信连接，MPQ4262_1芯片和CCG3PA_1通过I2C1总线通信连接，MPQ4262_2芯片和CCG3PA_2通过I2C2总线通信连接；Hub芯片150采用Microchip的USB4925芯片来实现，请参考图5所示，其为其为本发明在一个实施例中的USB4925芯片及其外围电路的电路示意图。

在图1所示的实施例中，MPQ4262芯片初始状态是没有输出的，需要CCG3PA芯片发送MPQ4262_NE1/2使能信号使能MPQ4262芯片，同时CCG3PA芯片通过I2C配置MPQ4262芯片寄存器，打开MPQ4262 PIN7的VOUT输出。MPQ4262芯片默认输出5V，CCG3PA芯片根据设备的请求，通过FB动态调整MPQ4262芯片的输出电压。也就是说，CCG3PA_1芯片需要发送使能信号使能MPQ4262_1芯片工作，CCG3PA_1芯片通过I2C配置MPQ4262_1芯片，并且CCG3PA_1芯片基于第一直流升降压电路112输出的第一直流电源VBUS1，通过FB动态调整第一直流升降压电路112输出的第一直流电源VBUS1；CCG3PA_2芯片需要发送使能信号使能MPQ4262_2芯片工作，CCG3PA_2芯片通过I2C配置MPQ4262_2芯片，并且CCG3PA_2芯片基于第二直流升降压电路122输出的第二直流电源VBUS2，通过FB动态调整第二直流升降压电路122输出的第二直流电源VBUS2。

在图1所示的具体实施例中，第一USB接口130和第二USB接口140均为USB Type-C接口，第一USB接口130的通信引脚CC01、CC02分别与第一充电协议控制电路114(或CCG3PA_1芯片)的对应引脚相连；第二USB接口140的通信引脚CC11、CC12分别与第二充电协议控制电路124(或CCG3PA_2芯片)的对应引脚相连；第一充电协议控制电路114支持的标准充电协议为PD协议；第二充电协议控制电路124支持的标准充电协议为PD协议。

以下具体介绍图1所示的车载大功率USB数据充电模块的工作原理。

当车载大功率USB数据充电模块检测到仅第一USB接口130连接有待充电设备时，则CCG3PA_1芯片使能第一直流升降压电路112(例如，MPQ4262_1芯片)工作，并基于标准充电协议(例如，PD协议)控制第一直流升降压电路112(例如，MPQ4262_1芯片)经第一USB接口130给待充电设备(例如，手机)进行充电。

当车载大功率USB数据充电模块检测到仅第二USB接口140连接有待充电设备时，则CCG3PA_2芯片使能第二直流升降压电路122(例如，MPQ4262_2芯片)工作，并基于标准充电协议(例如，PD协议)控制第二直流升降压电路122(例如，MPQ4262_2芯片)经第二USB接口140给待充电设备(例如，手机)进行充电。

当车载大功率USB数据充电模块检测到第一USB接口130和第二USB接口140均连接有待充电设备(例如，手机)，则CCG3PA_1芯片使能第一直流升降压电路112(例如，MPQ4262_1芯片)工作，并基于标准充电协议(例如，PD协议)控制第一直流升降压电路112(例如，MPQ4262_1芯片)经第一USB接口130给待充电设备(例如，手机)进行充电；同时，CCG3PA_2芯片使能第二直流升降压电路122(例如，MPQ4262_2芯片)工作，并基于标准充电协议(例如，PD协议)控制第二直流升降压电路122(例如，MPQ4262_2芯片)经第二USB接口140给待充电设备(例如，手机)进行充电。

在图1所示的具体实施例中，当仅第一USB接口130连接有待充电设备时，则第一USB接口130给待充电设备提供最大45W的PD协议充电；当仅第二USB接口140连接有待充电设备，则第二USB接口140给待充电设备提供最大45W的PD协议充电；当第一USB接口130和第二USB接口140均连接有待充电设备时，则第一USB接口130给待充电设备提供最大27W的PD协议充电，同时第二USB接口140给待充电设备提供最大27W的PD协议充电。

也就是说，在图1所示的实施例中，使用成熟可靠的英飞凌CCG3PA芯片来完成PD协议的建立、沟通和执行，两路PD控制器(或CCG3PA芯片)之间采用I2C通信。CCG3PA芯片通过GPIO来使能电源芯片MPQ4262，每个PD控制器(或CCG3PA芯片)可以单独通过I2C通信控制对应的电源芯片MPQ4262的配置，通过FB控制电源芯片MPQ4262输出电压的大小。CCG3PA芯片可以满足PD 3.1对于输出电压的控制逻辑，按照设备请求，输出5V、9V、15V和20V电压。本发明的设计方案在单口输出时，最大可以支持45W的PD协议充电，双口输出进入功率分配模式，每个口最大可以输出27W的PD协议充电，一共最大输出54W。

在图1所示的实施例中，数据通信部分使用Microchip的USB4925芯片，其支持两路上行口和两路下行口，移动设备(或待充电设备)可以通过本发明的设计实现与主机的USB2.0通信，主机也可以通过Hub芯片150读取到CCG3PA_1芯片和CCG3PA_2芯片的寄存器，读取与CCG3PA_1芯片或CCG3PA_2芯片相连的移动设备(或待充电设备)处于PD状态(或标准充电协议状态)还是非PD状态(或非标准充电协议状态)。当第一USB接口130或第二USB接口140输出发生过流或者短路时，CCG3PA_1芯片或CCG3PA_2芯片可以将Fault信号传输给Hub芯片150(或USB4925芯片)，从而传送给车机，车机根据自身的软件策略实现Fault信号持续拉低和复位。也可以说，CCG3PA_1芯片或CCG3PA_2芯片可以将第一USB接口130或第二USB接口140的故障信号经Hub芯片150传送给车机。

在图1所示的实施例中，车载大功率USB数据充电模块还包括上行口连接器160、输入保护及滤波电路180、输入接口电路190以及静电释放和过压保护电路200。

Hub芯片150的下行口分别与第一USB接口130的数据引脚D和第二USB接口140的数据引脚D相连，其上行口分别与上行口连接器160对应的数据引脚相连，以进行数据传输。在图1所示的具体实施例中，第一USB接口130的数据引脚D+B、D-B，以及第二USB接口140的数据引脚D+A、D-A分别与Hub芯片150下行口的数据引脚D+2、D-2、D+1、D-1相连；Hub芯片150上行口的数据引脚D2+、D-2、D1+、D1-与上行口连接器160相连，这样，Hub芯片150可以支持两对上行口和两对下行口的数据通信。

输入保护及滤波电路180的输入端接收车载直流输入电源VBAT，其输出端与第一直流升降压电路112和第二直流升降压电路122的输入端Vin相连，输入保护及滤波电路180用于车载直流输入电源VBAT的防反接、浪涌保护和滤波。

请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的输入保护及滤波电路的电路示意图，图2所示的输入保护及滤波电路包括输入防反保护单元182、滤波单元184和稳压滤波单元186。

输入防反保护单元182包括PMOS管Q101、稳压二极管D118和电阻R117，其中，PMOS管Q101的源极D与车载直流输入电源VBAT相连，其栅极G与连接节点TP119相连，其漏极与连接节点TP102相连；电阻R117的一端与连接节点TP119相连，其另一端接地；稳压二极管D118的正极与连接节点TP119相连，其负极与所述连接节点TP102相连。

滤波单元184包括电容C103、电容C104、电容C105、电容C106、电容C115和电感L100，其中，电容C103连接于连接节点TP102和接地端之间；电容C104连接于所述连接节点TP102和接地端之间；电感L101连接于连接节点TP102和连接节点TP103之间；电容C105连接于连接节点TP103和接地端之间；电容C106连接于连接节点TP103和接地端之间；电容C115连接于连接节点TP103和接地端之间；连接节点TP103与输入保护及滤波电路100的输出端(或第一直流升降压电路112和第二直流升降压电路122的输入端VIN)相连。

稳压滤波单元186包括双向稳压二极管D102和电容C102，双向稳压二极管D102连接于车载直流输入电源VBAT和接地端之间；电容C102连接于车载直流输入电源VBAT和接地端之间。

在图2所示的实施例中，TVS管SMAJ30CAHM2G(即双向稳压二极管D102)来做浪涌防护，PMOS管PJQ4401P-AU_R2_000A1(即PMOS管Q101)做防反保护，L101和C103、C104、C105、C106组成的π滤波短路(即滤波单元184)做输入电源的滤波处理。

输入接口电路190的电源引脚KL30用于提供车载直流输入电源VBAT；输入接口电路190的使能引脚Enable用于向直流降压电路170的使能端提供使能信号，以唤醒直流降压电路170开始工作；输入接口电路190的接地引脚KL31接地。

静电释放和过压保护电路200的一端与第一USB接口130的数据引脚D+B、D-B以及第二USB接口140的数据引脚D+A、D-A相连，其另一端与Hub芯片150一侧的数据引脚D+2、D-2、D+1、D-1相连。

综上所述，本发明基于CCG3PA芯片提供一种车载大功率USB数据充电模块，其两路Type C的输出对称，PD控制软件灵活可调，两路TypeC即相互独立，又能相互通信。单口输出45W能够满足大多数移动设备的快充需求；双口27W+27W输出，简单的功率分配机制，避免了复杂功率分配策略带来的沟通影响。本方案设计既满足了日益增长的快充需求，又保留了移动设备与车机的传统通信功能，支持Carplay、Carlife等应用功能，可以满足USB IF协会要求的USB2.0认证测试，Apple MFi要求的Carplay SI测试和PD3.1认证，让驾驶、乘车体验更佳。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。