基于 PMP23501 的 48V 車載雙端口 USB-C PD 電源系統設計解析與工程實踐
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摘要
隨著 48V 車載電氣架構在混動和電動車型中的廣泛應用，車內對高功率 USB-C/PD 的需求顯著提升，包括筆記本電腦快充、后排娛樂系統、車載平板供電、輔助診斷工具等。TI 提供的 PMP23501 是一款面向 24–60V 汽車輸入（典型 48V）設計的雙端口 USB-C/PD 電源參考方案，支持每端口高達 60W，同時采用高效率同步降壓架構與車規級 PD 控制。
本文從工程角度對 PMP23501 的系統架構、關鍵器件、Buck 拓撲、電源控制策略、保護機制、熱/EMI 設計方法以及實際測試結果進行系統分析，并給出可用于量產開發的設計建議。全文包括純文字公式推導與電路結構圖，適合車載電源設計工程師、整車廠電氣架構人員、USB-C 模塊開發商參考使用。
1. 車載 USB-C 供電的發展趨勢與技術挑戰
1.1 48V 架構成為主流
傳統 12V 架構在現代電動車中面臨三大瓶頸：
電流過大，線損嚴重
功率相同的情況下，電壓升高至 48V，電流降低為原來的 1/4，線損（I2R）降低到原來的 1/16。線束重量過高
大電流需要粗銅線，而整車輕量化要求不斷提高。無法驅動高功率負載
如電動壓縮機、主動懸掛、電動側滑門等。
因此，48V 電氣架構成為主流，各零部件廠商開始對 48V → 低壓電源模塊 提出需求。USB-C/PD 正是典型應用之一。
1.2 USB-C/PD 在車載環境中的三大挑戰
輸入電壓范圍寬
發動機啟停、再生制動、電池不同工作狀態
電壓可在 24V–60V 范圍大幅波動
車規瞬態與 EMI 要求極嚴格
ISO 7637-2、CISPR25
可能出現 80–100V 暫態
高功率輸出 + 雙端口同時工作
每口 60W（20V 3A）
雙口并發要求電源具備高效率與強熱穩定性
TI 的 PMP23501 正是在此背景下誕生，用于快速構建車載 USB-C 模塊。
2. 系統整體架構解析（含 ASCII 框圖）
PMP23501 的總體結構如下：
24–60V 車載電源 │ [ 輸入 EMI 濾波與保護 ] │ ┌───────────────────────────┐ │ LM72880-Q1 同步 Buck 轉換器 │ │ 通道 1：Φ 20V/15V/9V/5V 輸出 │ └───────────────────────────┘ │ ┌───────────────────────────┐ │ TPS26744E-Q1 USB-C/PD 控制器 │ │ CC1/CC2、PDO、PPS、保護管理 │ └───────────────────────────┘ │ USB-C Port 1────────────────────────────────────────────── USB-C Port 2（同結構）
三個核心模塊：
LM72880-Q1：80V 輸入、高效率同步 Buck
TPS26744E-Q1：USB-C/PD 協議處理與保護
TMP61-Q1：溫度監測與折返控制
3. 同步 Buck 供電架構深度解析
PMP23501 使用 LM72880-Q1 同步 Buck 降壓器。為便于工程分析，本節給出全部 純文字公式 與解析。
3.1 Buck 占空比推導
Buck 輸出電壓與占空比關系：
輸出電壓 = 占空比 × 輸入電壓
因此：
占空比 = 輸出電壓 ÷ 輸入電壓
在典型 48V 輸入、20V 輸出下：
占空比 = 20 ÷ 48 ≈ 0.416
低占空比意味著占空比控制精度高，對驅動電路性能要求更高。
3.2 電感紋波計算
紋波電流公式：
電感紋波 = (輸入電壓 ? 輸出電壓) × 占空比 ÷ (電感值 × 開關頻率)
代入：
輸入 48V
輸出 20V
電感 4.7 微亨
開關頻率 400 kHz
得到：
電感紋波 ≈ 1.56 A
紋波越小，輸出更穩定。
3.3 MOSFET 損耗解析
Buck 的效率主要受 MOSFET 損耗影響。
導通損耗
導通損耗 = 輸出電流2 × MOSFET導通電阻 × 占空比
假設：
輸出電流：3A
導通電阻：20 毫歐
占空比：0.4
則：
導通損耗 = 3 × 3 × 0.02 × 0.4 ≈ 0.072 W
開關損耗
開關損耗 = 0.5 × 輸入電壓 × 輸出電流 × (開通時間 + 關斷時間) × 開關頻率
若：
輸入 48V
輸出 3A
上升時間 + 下降時間 = 40ns
開關頻率 = 400 kHz
則：
開關損耗 ≈ 1.15 W
在車載環境中，開關損耗往往是主要熱源。
3.4 Buck 總損耗與效率估算
總損耗：
總損耗 = 導通損耗 + 開關損耗 + 驅動損耗 + 電感損耗
整體效率：
效率 = 輸出功率 ÷ (輸出功率 + 總損耗)
例如：
輸出功率：60W
總損耗：2.5W
則：
效率 = 60 ÷ 62.5 ≈ 96%
與 PMP23501 實測一致。
4. USB-C/PD 協商、限流與保護機制分析
TPS26744E-Q1 管理整個 USB-C PD 協議流程。
4.1 PD 協商完整流程
檢測 CC 引腳（端口方向識別）
廣播 Source PDO 列表：
5V
9V
15V
20V
讀取接收端請求 RDO
設置輸出電壓
監測電流狀態
負載變化動態調整（PPS）
發生過流/短路/過溫時執行保護
4.2 電纜壓降補償
車載 USB-C 常用 1–2 m 線纜，高電流下電壓下跌明顯。
補償公式：
補償后電壓 = 目標電壓 + 負載電流 × 電纜電阻
例如：
目標 20V
電流 3A
電纜電阻 0.2 歐姆
則：
補償電壓 = 20 + 3 × 0.2 = 20.6 V
使終端準確獲得目標電壓。
4.3 熱折返方案（TMP61-Q1）
溫度控制示意：
溫度 < 100°C：正常輸出 溫度 100–120°C：限制輸出電流 溫度 > 120°C：關閉輸出
TMP61 向 TPS26744 提供模擬電壓，使其實時控制負載能力。
5. 實測性能分析（效率表 / 熱表 / 紋波表）
下列測試數據基于 PMP23501 官方報告與工程實踐重組。
5.1 不同輸出電壓下效率測試
表 1 48V 輸入、單端口滿載效率 +-----------+-----------+-------------+ | 輸出電壓 | 輸出電流 | 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 雙端口同時輸出的熱表現
表 2 雙端口 20V 3A 輸出時的溫度表現（無風環境）+------------------+--------------+| 測試點位置 | 溫度 (°C) |+------------------+--------------+| 高側 MOSFET | 82 | | 低側 MOSFET | 78 | | 電感 | 75 | | TPS26744 控制器 | 61 | | PCB 最高點 | 85 |+------------------+--------------+
表現穩定，無熱失控跡象。
5.3 輸出紋波測試（20 MHz 帶寬）
表 3 各電壓檔紋波+-----------+----------------+| 輸出電壓 | 紋波 (mVpp) |+-----------+----------------+| 5 V | 18–22 | | 9 V | 22–30 | | 15 V | 26–34 | | 20 V | 32–40 |+-----------+----------------+
對 USB-C 設備影響很小。
6. CISPR25 Class 5 車載 EMI/EMC 設計要點
車載 EMC 是 PMP23501 商用化的關鍵。
6.1 輸入濾波結構建議
推薦 π 型輸入濾波：
Vin → 電容C1 → 電感L1 → 電容C2 → LM72880
要點：
C1、C2 必須選用 X7R，高耐壓
L1 需保證低直流電阻
濾波回路面積越小越好
6.2 關鍵布局技巧
SW 節點盡量小
減少 dv/dt 帶來的 EMI 輻射。功率回路靠近 MOSFET 和電感
降低回路電感。CC 信號遠離開關節點
防止協議出錯。
6.3 車規瞬態保護
典型保護鏈路：
車載電源 → TVS 二極管 → CLC 濾波 → Buck 電源級
推薦 TVS：
58–64V 鉗位
支持 ISO7637-2 Pulse 5
7. 車載應用中的實際價值
PMP23501 可適用于以下場景：
1. 后排 USB-C 雙口快充模塊
同時給兩臺筆記本充電。
2. 高端 SUV / MPV 娛樂系統
車載平板、座椅娛樂屏需要持續供電。
3. 車載診斷工具
技師常需要給外設供電。
4. 電動汽車內部輔助設備
如氛圍屏、車載路由器等。
8. 量產設計與二次開發建議
8.1 設計單口 100W 的方法
更低導阻 MOSFET
更大電感（降低紋波）
散熱加強（銅皮擴展、金屬屏蔽）
使用 TI 高功率 PD 控制器的升級型號
8.2 擴展為三端口或四端口
可采用以下架構：
主 PD 控制器 → 多路 Buck → 多路 USB-C 端口
或利用多相 Buck 方法實現更高功率密度。
8.3 同時兼容 12V + 48V 架構
可采用：
自動輸入切換 MOSFET
Boost-Buck 架構
雙輸入 Buck 模塊
滿足不同車型平臺的遷移需求。
9. 結語
PMP23501 將 48V 汽車電源轉換為雙路 60W USB-C PD 輸出，展示了 TI 在車規 USB-C 方向的完整解決方案。其高效率同步 Buck、車規級 PD 控制器、完善的熱折返機制與輸入保護，使本方案不僅可作為開發起點，更具備量產設計價值。
對于希望快速實現 48V → USB-C/PD 的整車廠與供應商而言，PMP23501 提供了一條成熟、低風險、可擴展的工程路徑。
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