作者：Microchip Technology 營(yíng)銷工程師 Dave Sroka

在過(guò)去 10 年中，汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)功能發(fā)生了顯著變化。2009 年，領(lǐng)先的汽車出版物將內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)和 DVD 播放器列為汽車最重要的五種功能。由于智能手機(jī)的興起，內(nèi)置導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)已被淘汰，而智能手機(jī)界面（即 Android Auto、Apple CarPlay）和快速通用串行總線 (USB) 充電等駕駛員便利功能已攀升至頂端。

這些功能的結(jié)合點(diǎn)在于一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——USB。作為消費(fèi)者熟知的技術(shù)，USB 繼續(xù)從其行業(yè)組織 USB-IF 輸出新規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員繼續(xù)在該技術(shù)中尋找價(jià)值。幾年來(lái)，頂級(jí)汽車 OEM 和一級(jí)供應(yīng)商的工程師一直在將這些便利功能集成到他們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。隨著智能手機(jī)上的應(yīng)用程序不斷發(fā)展，為車輛提供更多帶寬，以及消費(fèi)者希望更快地為電子設(shè)備充電，這種趨勢(shì)肯定會(huì)繼續(xù)下去。

在車輛智能手機(jī)接口的情況下，USB 用作傳輸層，將手機(jī)顯示或數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)街鳈C(jī)。為了加快充電速度，USB 電力傳輸 (PD) 規(guī)范概述了電力合同的協(xié)商/最終確定方式以及可以向消費(fèi)類設(shè)備提供的電力水平。雖然 USB 規(guī)范、合規(guī)性測(cè)試和 USB 芯片的架構(gòu)可以執(zhí)行大部分繁重的工作，但必須設(shè)計(jì)所有組件的系統(tǒng)集成，包括主機(jī)硬件、主機(jī)軟件和媒體集線器。

USB 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素推動(dòng)下一個(gè)技術(shù)水平，必須考慮許多因素來(lái)完成系統(tǒng)：

帶寬需求（USB 2.0 Hi-Speed 或 USB 3.1 SuperSpeed）

需要移動(dòng)應(yīng)用支持（需要主機(jī)/設(shè)備交換能力）

所需端口的數(shù)量和類型（一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)/A 型或 C 型）

硬件接口類型（USB 主機(jī)或 USB 主機(jī)/設(shè)備端口）

USB 充電功率等級(jí)（1.5 A、2.0 A、3.0 A 等）

圖 1：設(shè)計(jì) USB 系統(tǒng)時(shí)要考慮的因素。

因此，OEM 可以在不更改系統(tǒng)架構(gòu)的情況下添加功能非常重要。例如，Microchip 開(kāi)發(fā)了廣泛的汽車 USB 產(chǎn)品組合?，支持一致的系統(tǒng)集成主題，因此 OEM 可以在遷移系統(tǒng)的同時(shí)維護(hù)架構(gòu)。

例如，如果 OEM 使用 USB 2.0 解決方案，在該解決方案中他們連接到主機(jī)中的 USB 主機(jī)專用端口，他們可以很容易地轉(zhuǎn)向只需要 USB 主機(jī)端口解決方案（即主機(jī)）的 USB 3.1 解決方案。反射器功能）。這兩種解決方案都將使用相同的原生 USB 類驅(qū)動(dòng)程序（即通信設(shè)備類和網(wǎng)絡(luò)控制模型）來(lái)支持 Apple CarPlay。因此，在 USB 2.0 解決方案上完成的工作，包括啟動(dòng)移動(dòng)接口應(yīng)用程序，對(duì)于兩個(gè)芯片來(lái)說(shuō)可以是相同的。同樣，Microchip 通過(guò)名為 FlexConnect 的功能在主機(jī)上提供對(duì) USB 主機(jī)/設(shè)備連接的支持，該功能可以將其集線器端口的功能從設(shè)備交換到主機(jī)并返回。

考慮到所有這些，設(shè)計(jì)人員可以選擇使用 FlexConnect 方法來(lái)支持執(zhí)行 CarPlay 的 iPhone 的主機(jī)/設(shè)備交換或多主機(jī)反射器方法。這些方法之間的主要區(qū)別之一是 CarPlay 會(huì)話可用的帶寬量。

借助 FlexConnect，在 CarPlay 期間成為 USB 主機(jī)的 iPhone 將擁有所有 USB 2 帶寬 (480 Mbits/s) 可供使用。借助多主機(jī)反射器，iPhone 將與主機(jī)中的 USB 主機(jī)共享 480-Mbits/s 帶寬。決定留給系統(tǒng)架構(gòu)師選擇最能滿足其系統(tǒng)需求的方法。在這兩種情況下，都不需要自定義驅(qū)動(dòng)程序。USB 2.0 和 USB 3.1 汽車集線器均提供多主機(jī)反射器功能和 FlexConnect 功能。

因此，就功能芯片塊而言，帶有媒體集線器的信息娛樂(lè)主機(jī)系統(tǒng)可以很容易地從 USB 2.0 Hi-Speed 遷移到 USB 3.1 SuperSpeed。一致的功能集和 USB 類驅(qū)動(dòng)程序提供相同的用戶應(yīng)用程序支持，同時(shí)減少系統(tǒng)驗(yàn)證任務(wù)、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和上市時(shí)間。

從 USB 2.0 遷移到 USB 3.1 的權(quán)衡雖然從 USB 2.0 到 USB 3.1 的簡(jiǎn)單遷移是可能的，但在考慮遷移到 USB 3.1 SuperSpeed 解決方案時(shí)需要評(píng)估一些領(lǐng)域。最重要的是支持 5-Gbits/s 數(shù)據(jù)流與 480-Mbits/s 數(shù)據(jù)流的根本區(qū)別。印刷電路板設(shè)計(jì)、元件放置、連接器質(zhì)量和電纜距離都會(huì)影響信號(hào)完整性。對(duì)于初始實(shí)施，在實(shí)現(xiàn)大批量節(jié)約和規(guī)模經(jīng)濟(jì)之前，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)更高的電纜和組件成本。必須根據(jù)這些因素來(lái)衡量可以獲得的整體性能和帶寬。

對(duì)于實(shí)現(xiàn) USB Power Delivery 3.0 的 Type-C 端口，每個(gè)端口能夠充電高達(dá) 100 W，因此提供具有適當(dāng)控制功能的一致架構(gòu)至關(guān)重要。必須控制溫度以確保正常運(yùn)行和長(zhǎng)期可靠性，以及必要時(shí)適當(dāng)?shù)年P(guān)閉機(jī)制。

例如，Microchip 為 USB 2.0 和 USB 3.1 開(kāi)發(fā)了一致的功能框圖，并保持了相同的架構(gòu)。在這里，集線器中的集成微控制器執(zhí)行供電堆棧，連接端口控制器，并管理媒體集線器的電源平面。這種帶有集中式微控制器的架構(gòu)可以同時(shí)執(zhí)行多種功能，包括供電堆棧、USB 端口之間的實(shí)時(shí)功率平衡以及不同移動(dòng)電源之間的功率節(jié)流進(jìn)行的熱響應(yīng)。

圖 2：Microchip 最近發(fā)布的 USB7002 的框圖包含與 USB 2.0 SmartHubs 相同的架構(gòu)，因此可以輕松遷移系統(tǒng)。

相比之下，按端口構(gòu)建的 USB 供電解決方案必須包含單獨(dú)的控制功能，通常在分立微控制器中執(zhí)行功率平衡、功率節(jié)流和溫度控制。這就是為什么 Microchip 的 SmartHub 系列始終包含一個(gè)集成微控制器的原因，因?yàn)樗鼈冎С诌@些功能，并且在材料清單 (BOM) 中增加的額外成本極少甚至沒(méi)有。

最后，功率平衡和熱算法可以跨平臺(tái)遷移或根據(jù)車輛模型的特定需求進(jìn)行調(diào)整。例如，皮卡車的動(dòng)力平衡模型可能與乘用轎車不同。

隨著移動(dòng)接口應(yīng)用程序繼續(xù)流行，推動(dòng)越來(lái)越多的帶寬和對(duì)更快充電的需求，考慮所有系統(tǒng)權(quán)衡至關(guān)重要。這些包括所需的 USB 技術(shù)的整體速度、可用于主機(jī)的 USB 端口、移動(dòng)接口應(yīng)用所需的帶寬、要提供的電力傳輸體驗(yàn)以及需要維護(hù)的軟件/驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，如以及整體系統(tǒng)成本和上市時(shí)間。

牢記所有這些因素，工程師可以根據(jù)自己的需求定制系統(tǒng)，同時(shí)提供遷移路徑，最大限度地降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并縮短上市時(shí)間，以適應(yīng)不斷發(fā)展的信息娛樂(lè)生態(tài)系統(tǒng)。

審核編輯 黃昊宇