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拆解奔馳E級(jí)USB充電模塊,汽車電源設(shè)計(jì)談何容易

2018/01/05
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首先談一下我的感受,大家都用手機(jī),但不一定知道目前國內(nèi)車廠出現(xiàn)了一臺(tái)神奇的設(shè)計(jì),12 個(gè) USB 充電口,像裝修房子一樣。而其實(shí)汽車電源的設(shè)計(jì)具有特殊性,想要把單個(gè) USB 的充電器做好,單就保護(hù)還有電壓移植的工作就已經(jīng)很不容易, 12 個(gè)談何簡單。

 
USB 口涉及到要轉(zhuǎn)化成低電壓,各種手機(jī)的握手識(shí)別,還要保護(hù)手機(jī)的接口,這個(gè)是需要仔細(xì)考慮的,USB 電壓可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)后端的電壓輸出不穩(wěn)定超出電池的限制。
 
 
 
 
 
電瓶的的電壓范圍是 8V-16V,蓄電池電流很大,而且負(fù)載隨時(shí)可能會(huì)斷開,12V 電源總線上就會(huì)產(chǎn)生超過電源電壓幾倍的沖擊電壓,蓄電池誤接和蓄電池雙倍電壓跳躍激活(24V)操作這樣大操作也會(huì)造成充電器輸入電壓超出標(biāo)稱值。 
 
這些電源轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)抑制能力存在很大的差異。集成電路的 OVP 器件可以解決過壓問題,但是沒有浪涌防護(hù)的功能,而 TVS 管可以做浪涌防護(hù),但是卻無法長時(shí)間過壓。最理想的情況是結(jié)合起來用,但是成本和體積都會(huì)比較高。
 
很巧的是,這次剛好拿到了奔馳的 USB 充電模塊,就想拆來和大家分享下。這個(gè)模塊是奔馳新 E 級(jí)車上的, 新 E 級(jí)給人最大的印象就是跨時(shí)代科技感,比如雙 12.3 寸一體式全液晶儀表和中控大屏,包含 84 顆發(fā)光顆粒的幾何多光束 LED 大燈。
 
       

 

而除了這些傳統(tǒng)的科技配置外,相信這個(gè)級(jí)別的消費(fèi)主力也同樣關(guān)注座艙內(nèi)的設(shè)計(jì)。新 E 級(jí)前排提供了支持 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無線充電表面,而后排則配置了我手上這個(gè)比較特別的 USB 充電盒。我查了一下,只有 E300L 以上車型有配備。
 
 
我們來看看到底特別在哪里,馬上拆解。
 
 
一 . 外觀
 
 
整個(gè)模塊外殼是 ABS 塑料,外部是磨砂質(zhì)感,中間是模塊插拔按鈕,方便模塊的安裝。而比較別致的地方,就是該模塊具有一個(gè) USB type C 口和一個(gè) USB type A 口。在目前的量產(chǎn)汽車上,USB A 口是相當(dāng)常見,但 Type C 口就比較少見了,奔馳 E 級(jí)走在了主流車廠前列。 
 
 
背面的輸入接口擁有三個(gè)輸入端口。 
 
 
整個(gè)模塊呈楔型,斜插入的設(shè)計(jì)讓模塊厚度可以做的比較薄,廠商是花了心思的。
 
 

 

再來看一下規(guī)格標(biāo)稱,真是相當(dāng)高的配置了。
 
輸入電壓 9~16V
 
輸出 4.75~5.25V
 
最大電流支持到 3A
 
二 . 內(nèi)部 
 
 
擰掉背面兩顆螺絲,可以看到模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)本身不復(fù)雜, PCB 板大概只占到 1/3 的面積,很大的空間都是沒有利用的。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)厚度的限制,顯然奔馳選擇了集成度很高的方案。
 
 
PCB 板用了 4 層板的板材,表面有露銅散熱工藝,貼片工藝精良。
 
 
PCB 板子通過五個(gè)塑料點(diǎn)固定,用刀切掉了固定點(diǎn),取下 PCB 板。
 
 

 

背面器件不多,主要包含了輸入濾波和防反的電路。重要電路用金屬罩屏蔽了,應(yīng)該是考慮 EMC 兼容要滿足奔馳的要求。
 
 
取下金屬蓋,可以看到電感,電容和主芯片。
 
 
金屬罩是焊接在 PCB 上,只能通過暴力拆解。拆開可以看到主芯片和電感,看起來電路還是非常簡潔的。
 
 
 
主芯片是來自美國 MPS 的汽車級(jí)芯片 MPQ 4484。
 
 

 

芯片最大支持 6A,可以支持一路 Type C 3A 和一路 Type A 2.4A,降壓電路、握手識(shí)別和限流電路都集成在一顆芯片上,集成度非常高,很有特點(diǎn)。降壓電路集成兩顆 MOSFET,內(nèi)阻很小,18mΩ/15mΩ,對(duì) 6A 的降壓電路來說,這么低的 MOSFET 內(nèi)阻是必要的。
 
三 . 測(cè)試
 
 
充電測(cè)試,Type A 端口:支持蘋果 2.4A,三星 2A 和 DCP 1.5A,不支持市面的高壓快充協(xié)議。
 
 
 
 
用電量 20%的 iPhone 7 Plus 實(shí)際測(cè)試,輸出 5.1V, 電流 1.97A,功率達(dá) 10W。
 
 
 
Type C 端口電壓 4.76V,電流 3A,功率達(dá) 14.3W,實(shí)測(cè)確實(shí)是 3A 的輸出能力。
 
 
同時(shí)測(cè)試 Type A 和 Type C,分別都能輸出 2.4A 和 3A,輸出能力大。
 
 
總功率為 Type C 14.3W 加 Type A 12.3W,26.6W 由一顆芯片輸出,功率密度非常驚人。
 
小結(jié):我覺得豪車,比如 BMW、奔馳、奧迪這幾家的工程師還是挺嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,也為?xì)節(jié)付出了很多的成本,有時(shí)候一分錢一分貨,是用在你不知道的地方。從這次拆解的原車 USB 充電模塊來看,集成度高、方案簡潔,設(shè)計(jì)上考慮了主流的 Type A 接口,也采用了 Type C 接口,雙口輸出能力值得贊賞。國內(nèi)神車布置 12 個(gè)充電口,總不至于這么設(shè)計(jì)吧,弄個(gè)消費(fèi)級(jí)別的埋在里面,理念不同,結(jié)果自然也不同。
 

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筆者 朱玉龍,一名汽車行業(yè)的工程師,2008年入行,做的是讓人看不透的新能源汽車行業(yè)。我學(xué)的是測(cè)試和電路,從汽車電子硬件開始起步,現(xiàn)在在做子系統(tǒng)和產(chǎn)品方面的工作。汽車產(chǎn)業(yè)雖然已經(jīng)被人視為夕陽產(chǎn)業(yè),不過我相信未來衣食住行中的行,汽車仍是實(shí)現(xiàn)個(gè)人自由的不二工具,愿在汽車電子電氣的工程方面耕耘和努力,更愿與同行和感興趣的朋友分享見解。