摘要

随着 48V 车载电气架构在混动和电动车型中的广泛应用，车内对高功率 USB-C/PD 的需求显著提升，包括笔记本电脑快充、后排娱乐系统、车载平板供电、辅助诊断工具等。TI 提供的 PMP23501 是一款面向 24–60V 汽车输入（典型 48V）设计的双端口 USB-C/PD 电源参考方案，支持每端口高达 60W，同时采用高效率同步降压架构与车规级 PD 控制。

本文从工程角度对 PMP23501 的系统架构、关键器件、Buck 拓扑、电源控制策略、保护机制、热/EMI 设计方法以及实际测试结果进行系统分析，并给出可用于量产开发的设计建议。全文包括纯文字公式推导与电路结构图，适合车载电源设计工程师、整车厂电气架构人员、USB-C 模块开发商参考使用。

1. 车载 USB-C 供电的发展趋势与技术挑战

1.1 48V 架构成为主流

传统 12V 架构在现代电动车中面临三大瓶颈：

1. 电流过大，线损严重
   功率相同的情况下，电压升高至 48V，电流降低为原来的 1/4，线损（I²R）降低到原来的 1/16。

2. 线束重量过高
   大电流需要粗铜线，而整车轻量化要求不断提高。

3. 无法驱动高功率负载
   如电动压缩机、主动悬挂、电动侧滑门等。

因此，48V 电气架构成为主流，各零部件厂商开始对 48V → 低压电源模块 提出需求。USB-C/PD 正是典型应用之一。

1.2 USB-C/PD 在车载环境中的三大挑战

1. 输入电压范围宽

• 发动机启停、再生制动、电池不同工作状态

• 电压可在 24V–60V 范围大幅波动

2. 车规瞬态与 EMI 要求极严格

• ISO 7637-2、CISPR25

• 可能出现 80–100V 暂态

3. 高功率输出 + 双端口同时工作

• 每口 60W（20V 3A）

• 双口并发要求电源具备高效率与强热稳定性

TI 的 PMP23501 正是在此背景下诞生，用于快速构建车载 USB-C 模块。

2. 系统整体架构解析（含 ASCII 框图）

PMP23501 的总体结构如下：

              24–60V 车载电源
                        │                [ 输入 EMI 滤波与保护 ]
                        │
          ┌───────────────────────────┐
          │  LM72880-Q1 同步 Buck 转换器 │
          │  通道 1：Φ 20V/15V/9V/5V 输出 │
          └───────────────────────────┘
                        │
          ┌───────────────────────────┐
          │  TPS26744E-Q1 USB-C/PD 控制器 │
          │  CC1/CC2、PDO、PPS、保护管理 │
          └───────────────────────────┘
                        │                   USB-C Port 1──────────────────────────────────────────────                   USB-C Port 2（同结构）

三个核心模块：

1. LM72880-Q1：80V 输入、高效率同步 Buck

2. TPS26744E-Q1：USB-C/PD 协议处理与保护

3. TMP61-Q1：温度监测与折返控制

3. 同步 Buck 供电架构深度解析

PMP23501 使用 LM72880-Q1 同步 Buck 降压器。为便于工程分析，本节给出全部 纯文字公式 与解析。

3.1 Buck 占空比推导

Buck 输出电压与占空比关系：

输出电压 = 占空比 × 输入电压

因此：

占空比 = 输出电压 ÷ 输入电压

在典型 48V 输入、20V 输出下：

占空比 = 20 ÷ 48 ≈ 0.416

低占空比意味着占空比控制精度高，对驱动电路性能要求更高。

3.2 电感纹波计算

纹波电流公式：

电感纹波 = (输入电压 − 输出电压) × 占空比 ÷ (电感值 × 开关频率)

代入：

• 输入 48V

• 输出 20V

• 电感 4.7 微亨

• 开关频率 400 kHz

得到：

电感纹波 ≈ 1.56 A

纹波越小，输出更稳定。

3.3 MOSFET 损耗解析

Buck 的效率主要受 MOSFET 损耗影响。

导通损耗

导通损耗 = 输出电流² × MOSFET导通电阻 × 占空比

假设：

• 输出电流：3A

• 导通电阻：20 毫欧

• 占空比：0.4

则：

导通损耗 = 3 × 3 × 0.02 × 0.4 ≈ 0.072 W

开关损耗

开关损耗 = 0.5 × 输入电压 × 输出电流 × (开通时间 + 关断时间) × 开关频率

若：

• 输入 48V

• 输出 3A

• 上升时间 + 下降时间 = 40ns

• 开关频率 = 400 kHz

则：

开关损耗 ≈ 1.15 W

在车载环境中，开关损耗往往是主要热源。

3.4 Buck 总损耗与效率估算

总损耗：

总损耗 = 导通损耗 + 开关损耗 + 驱动损耗 + 电感损耗

整体效率：

效率 = 输出功率 ÷ (输出功率 + 总损耗)

例如：

• 输出功率：60W

• 总损耗：2.5W

则：

效率 = 60 ÷ 62.5 ≈ 96%

与 PMP23501 实测一致。

4. USB-C/PD 协商、限流与保护机制分析

TPS26744E-Q1 管理整个 USB-C PD 协议流程。

4.1 PD 协商完整流程

1. 检测 CC 引脚（端口方向识别）

2. 广播 Source PDO 列表：

• 5V

• 9V

• 15V

• 20V

3. 读取接收端请求 RDO

4. 设置输出电压

5. 监测电流状态

6. 负载变化动态调整（PPS）

7. 发生过流/短路/过温时执行保护

4.2 电缆压降补偿

车载 USB-C 常用 1–2 m 线缆，高电流下电压下跌明显。

补偿公式：

补偿后电压 = 目标电压 + 负载电流 × 电缆电阻

例如：

• 目标 20V

• 电流 3A

• 电缆电阻 0.2 欧姆

则：

补偿电压 = 20 + 3 × 0.2 = 20.6 V

使终端准确获得目标电压。

4.3 热折返方案（TMP61-Q1）

温度控制示意：

温度 < 100°C：正常输出
温度 100–120°C：限制输出电流
温度 > 120°C：关闭输出

TMP61 向 TPS26744 提供模拟电压，使其实时控制负载能力。

5. 实测性能分析（效率表 / 热表 / 纹波表）

下列测试数据基于 PMP23501 官方报告与工程实践重组。

5.1 不同输出电压下效率测试

表 1  48V 输入、单端口满载效率

+-----------+-----------+-------------+
| 输出电压  | 输出电流  | 效率 (%)    |
+-----------+-----------+-------------+
| 5 V       | 3.0 A     | 94.2        |
| 9 V       | 3.0 A     | 95.6        |
| 15 V      | 3.0 A     | 96.1        |
| 20 V      | 3.0 A     | 96.0        |
+-----------+-----------+-------------+

5.2 双端口同时输出的热表现

表 2  双端口 20V 3A 输出时的温度表现（无风环境）+------------------+--------------+| 测试点位置       | 温度 (°C)    |+------------------+--------------+| 高侧 MOSFET      | 82           |
| 低侧 MOSFET      | 78           |
| 电感             | 75           |
| TPS26744 控制器  | 61           |
| PCB 最高点       | 85           |+------------------+--------------+

表现稳定，无热失控迹象。

5.3 输出纹波测试（20 MHz 带宽）

表 3 各电压档纹波+-----------+----------------+| 输出电压  | 纹波 (mVpp)    |+-----------+----------------+| 5 V       | 18–22          |
| 9 V       | 22–30          |
| 15 V      | 26–34          |
| 20 V      | 32–40          |+-----------+----------------+

对 USB-C 设备影响很小。

6. CISPR25 Class 5 车载 EMI/EMC 设计要点

车载 EMC 是 PMP23501 商用化的关键。

6.1 输入滤波结构建议

推荐 π 型输入滤波：

Vin → 电容C1 → 电感L1 → 电容C2 → LM72880

要点：

• C1、C2 必须选用 X7R，高耐压

• L1 需保证低直流电阻

• 滤波回路面积越小越好

6.2 关键布局技巧

1. SW 节点尽量小
   减少 dv/dt 带来的 EMI 辐射。

2. 功率回路靠近 MOSFET 和电感
   降低回路电感。

3. CC 信号远离开关节点
   防止协议出错。

6.3 车规瞬态保护

典型保护链路：

车载电源 → TVS 二极管 → CLC 滤波 → Buck 电源级

推荐 TVS：

• 58–64V 钳位

• 支持 ISO7637-2 Pulse 5

7. 车载应用中的实际价值

PMP23501 可适用于以下场景：

1. 后排 USB-C 双口快充模块

同时给两台笔记本充电。

2. 高端 SUV / MPV 娱乐系统

车载平板、座椅娱乐屏需要持续供电。

3. 车载诊断工具

技师常需要给外设供电。

4. 电动汽车内部辅助设备

如氛围屏、车载路由器等。

8. 量产设计与二次开发建议

8.1 设计单口 100W 的方法

• 更低导阻 MOSFET

• 更大电感（降低纹波）

• 散热加强（铜皮扩展、金属屏蔽）

• 使用 TI 高功率 PD 控制器的升级型号

8.2 扩展为三端口或四端口

可采用以下架构：

主 PD 控制器 → 多路 Buck → 多路 USB-C 端口

或利用多相 Buck 方法实现更高功率密度。

8.3 同时兼容 12V + 48V 架构

可采用：

• 自动输入切换 MOSFET

• Boost-Buck 架构

• 双输入 Buck 模块

满足不同车型平台的迁移需求。

9. 结语

PMP23501 将 48V 汽车电源转换为双路 60W USB-C PD 输出，展示了 TI 在车规 USB-C 方向的完整解决方案。其高效率同步 Buck、车规级 PD 控制器、完善的热折返机制与输入保护，使本方案不仅可作为开发起点，更具备量产设计价值。

对于希望快速实现 48V → USB-C/PD 的整车厂与供应商而言，PMP23501 提供了一条成熟、低风险、可扩展的工程路径。