EZ - PD? CCG7SCF：?jiǎn)味丝?USB Type - C 電源解決方案深度剖析

在當(dāng)今電子設(shè)備快速發(fā)展的時(shí)代，USB Type - C 接口憑借其強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用，成為了電子設(shè)備充電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁鬟x擇。EZ - PD? CCG7SCF 作為一款高度集成的單端口 USB Type - C 電源解決方案，在消費(fèi)充電和擴(kuò)展塢應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。下面，我們就來(lái)深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

EZ - PD? CCG7SCF 是一款高度集成的單端口 USB Type - C 電源傳輸（PD）解決方案，集成了降壓 - 升壓控制器和兩個(gè)開關(guān) FET，主要面向消費(fèi)充電和擴(kuò)展塢應(yīng)用。它不僅符合最新的 USB Type - C 和 PD 規(guī)范，還通過(guò)高度集成的設(shè)計(jì)減少了物料清單（BOM），為單端口消費(fèi)充電和擴(kuò)展塢需求提供了優(yōu)化的解決方案。同時(shí)，該產(chǎn)品在 VBUS 上具備硬件控制的保護(hù)功能，支持廣泛的輸入電壓范圍（4 V 至 24 V，耐壓 40 V）和可編程的開關(guān)頻率（150 kHz 至 600 kHz）。

二、核心特性

（一）USB PD 特性

1. 單端口支持：支持一個(gè) USB PD 端口，滿足單端口設(shè)備的充電需求。
2. 最新標(biāo)準(zhǔn)兼容：支持最新的 USB PD 3.1 標(biāo)準(zhǔn)，包括可編程電源（PPS）模式，能夠提供更靈活的電源輸出。
3. 擴(kuò)展數(shù)據(jù)消息：支持?jǐn)U展數(shù)據(jù)消息，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?/li>

（二）Type - C 特性

1. 可配置電阻：具有可配置的電阻 (R{p}) 和 (Ra4mmgkm)，方便根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整。
2. VBUS 提供者 NFET 柵極驅(qū)動(dòng)器：集成了 VBUS 提供者 NFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。
3. VCONN 電源供應(yīng)：集成了 100 - mW VCONN 電源供應(yīng)和控制功能，滿足 USB Type - C 規(guī)范中對(duì) VCONN 的要求。

（三）降壓 - 升壓控制器特性

1. 寬頻率范圍：開關(guān)頻率范圍為 150 至 600 kHz，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行編程。
2. 寬輸入輸出范圍：輸入電壓范圍為 4.5 至 24 V，耐壓 40 V；輸出電壓范圍為 3.3 至 21.5 V。
3. PPS 高精度調(diào)節(jié)：在 PPS 模式下，電壓調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為 20 - mV，電流調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為 50 - mA，提供了高精度的電源輸出。
4. 多種工作模式：支持可選的脈沖跳過(guò)模式（PSM）和強(qiáng)制連續(xù)電流/傳導(dǎo)模式（FCCM），以及軟啟動(dòng)功能，提高了電源轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
5. 低 EMI 設(shè)計(jì)：可編程的擴(kuò)頻頻率調(diào)制功能，有效降低了電磁干擾（EMI）。
6. 集成 FET：集成了兩個(gè)降壓開關(guān) FET，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

（四）系統(tǒng)級(jí)保護(hù)特性

1. 電壓電流保護(hù)：具備片上 VBUS 過(guò)壓保護(hù)（OVP）、過(guò)流保護(hù)（OCP）、欠壓保護(hù)（UVP）以及 VBUS 至 CC 短路保護(hù)功能，確保設(shè)備在異常情況下的安全運(yùn)行。
2. 溫度保護(hù)：通過(guò)集成的 ADC 電路和內(nèi)部溫度傳感器支持過(guò)溫保護(hù)，同時(shí)支持使用外部熱敏電阻進(jìn)行連接器和電路板溫度測(cè)量。

（五）32 位 MCU 子系統(tǒng)特性

1. 高性能 CPU：采用 48 - MHz Arm? Cortex? - M0 CPU，優(yōu)化了低功耗運(yùn)行，具備廣泛的時(shí)鐘門控功能。
2. 大容量存儲(chǔ)：擁有 128 - KB 閃存、16 - KB SRAM 和 32 - KB ROM，為用戶應(yīng)用提供了充足的存儲(chǔ)空間。

（六）外設(shè)和 GPIO 特性

1. 豐富的 GPIO：多達(dá) 13 個(gè) GPIO，包括兩個(gè)過(guò)壓 GPIO，可滿足各種外部設(shè)備的連接需求。
2. ADC 和 PWM：2 個(gè) 8 位 ADC 和 8 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/PWM（TCPWM），提供了靈活的模擬和數(shù)字信號(hào)處理能力。

（七）通信接口特性

具備 3 個(gè) SCB（I2C/SPI/UART/LIN）通信接口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（八）時(shí)鐘和振蕩器特性

集成了振蕩器，無(wú)需外部時(shí)鐘，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

（九）電源供應(yīng)特性

1. 寬輸入輸出范圍：輸入電壓范圍為 4 至 24 V，耐壓 40 V；輸出電壓范圍為 3.3 至 21.5 V。
2. 集成 LDO：集成了能夠提供 5 V @ 75 mA 的 LDO，為其他電路提供穩(wěn)定的電源。

（十）封裝特性

采用 39 引腳 LGA（6 mm × 7 mm）封裝，具有 - 40°C 至 + 105°C 的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍，適用于各種惡劣的工作環(huán)境。

三、功能模塊詳解

（一）MCU 子系統(tǒng)

1. CPU

Cortex? - M0 是一款 32 位 MCU，專為低功耗運(yùn)行而優(yōu)化，采用了廣泛的時(shí)鐘門控技術(shù)。它主要使用 16 位指令，執(zhí)行 Thumb - 2 指令集的子集，并包含一個(gè)硬件乘法器，能夠在一個(gè)周期內(nèi)提供 32 位結(jié)果。此外，它還配備了中斷控制器（NVIC 塊）和喚醒中斷控制器（WIC），可從深度睡眠模式中喚醒處理器。

2. 閃存 ROM 和 SRAM

設(shè)備擁有 128 - KB 閃存和 32 - KB ROM 用于非易失性存儲(chǔ)。ROM 存儲(chǔ)了用于認(rèn)證和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的庫(kù)，如 (I^{2}C)、SPI 等，從而為用戶應(yīng)用節(jié)省了閃存空間。16 - KB RAM 在軟件控制下用于存儲(chǔ)系統(tǒng)變量和參數(shù)的臨時(shí)狀態(tài)，同時(shí)還提供了一個(gè)包含啟動(dòng)和配置例程的監(jiān)控 ROM。

（二）USB PD 子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)為 Type - C USB 端口提供接口，主要包括以下幾個(gè)部分：

1. USBPD 物理層：包含 USBPD 物理層塊和支持電路，由發(fā)射器和接收器組成，可根據(jù) PD 3.1 標(biāo)準(zhǔn)在 CC 通道上傳輸 BMC 編碼數(shù)據(jù)。所有通信均為半雙工，物理層實(shí)現(xiàn)了沖突避免機(jī)制，以減少通道上的通信錯(cuò)誤。
2. VCONN 開關(guān)和 100mW VCONN 源：集成了 VCONN 開關(guān)和過(guò)流保護(hù)電路，能夠?yàn)殡娮訕?biāo)記電纜組件（EMCA）、VCONN 供電設(shè)備（VPD）和 VCONN 供電附件（VPA）提供 100 mW 的 VCONN 電源。
3. VBUS 欠壓和過(guò)壓保護(hù)（UVP 和 OVP）：使用內(nèi)部電阻分壓器監(jiān)控 VBUS 欠壓和過(guò)壓故障，故障閾值和響應(yīng)時(shí)間可由用戶配置。在發(fā)生 UVP 或 OVP 時(shí)，可配置為在一定數(shù)量的用戶可配置重試后關(guān)閉 Type - C 端口。
4. VBUS 過(guò)流和短路保護(hù)（OCP 和 SCP）：使用內(nèi)部電流感測(cè)放大器監(jiān)控 VBUS 過(guò)流和短路故障，OCP 和 SCP 故障閾值和響應(yīng)時(shí)間同樣可配置。在發(fā)生 OCP 或 SCP 時(shí)，可配置為在一定數(shù)量的用戶可配置重試后關(guān)閉 Type - C 端口。
5. VBUS 輸出高側(cè)電流感測(cè)放大器（HS CSA）：通過(guò)與 VBUS 路徑串聯(lián)的外部電阻（5 mΩ）支持 VBUS 電流測(cè)量和控制，用于測(cè)量平均輸出電流，并在 PPS 電流折返模式下精確控制輸出電流。
6. VBUS 放電控制：支持高電壓（21.5 V）VBUS 放電電路，在檢測(cè)到設(shè)備斷開連接、故障或硬復(fù)位時(shí)，可在 USB 電源傳輸規(guī)范規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將輸出 VBUS 端子放電至 vSafe5V 和/或 vSafe0V。
7. VBUS 提供者 NFET 柵極驅(qū)動(dòng)器：集成了高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng) VBUS 提供者路徑上的外部高端 NFET。具有可選的緩慢開啟功能，可減少輸出端的高電流尖峰。
8. 傳統(tǒng)充電檢測(cè)和支持：實(shí)現(xiàn)了對(duì) USB BC.1.2、傳統(tǒng)蘋果充電、高通快速充電 2.0/3.0/4.0/5.0 和三星 AFC 協(xié)議的電池充電器仿真和檢測(cè)功能。
9. VBUS 至 CC 短路保護(hù)：CC 引腳集成了防止意外短路到高電壓 VBUS 和 VBAT 的保護(hù)功能，能夠承受高達(dá) 24 V 的外部電壓而不損壞。在檢測(cè)到 CC 引腳過(guò)壓時(shí)，可配置為完全關(guān)閉 Type - C 端口。

（三）降壓 - 升壓子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)可配置為降壓 - 升壓模式、僅降壓模式或僅升壓模式，主要功能模塊包括：

1. 高側(cè)（逐周期）電流感測(cè)放大器（CSA）：在升壓和降壓模式下實(shí)現(xiàn)峰值電流控制，通過(guò)與降壓控制 FET 串聯(lián)的外部電阻（5 mΩ）進(jìn)行峰值電流感測(cè)。該電流感測(cè)放大器具有高帶寬和非常寬的共模范圍，并實(shí)現(xiàn)了斜率補(bǔ)償，以避免內(nèi)部電流環(huán)的次諧波振蕩。
2. 高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（HG/LG）：提供兩個(gè) N 通道 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，分別用于驅(qū)動(dòng)高端和低端外部 FET。柵極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、死區(qū)時(shí)間控制和過(guò)零電平均可編程，還包含過(guò)零檢測(cè)器（ZCD），用于實(shí)現(xiàn)具有二極管仿真功能的不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）。
3. 脈沖寬度調(diào)制器（PWM）：生成用于驅(qū)動(dòng)外部 FET 的控制信號(hào)，具有多種可編程選項(xiàng)，如最小/最大脈沖寬度、最小/最大周期、頻率和脈沖跳過(guò)級(jí)別，以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。支持脈沖跳過(guò)模式（PSM）和強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通模式（FCCM），可在輕載條件下優(yōu)化效率并減少損耗。
4. 誤差放大器（EA）：包含兩個(gè)誤差放大器，用于輸出電壓和電流調(diào)節(jié)。誤差放大器是跨導(dǎo)型放大器，具有單個(gè)補(bǔ)償引腳（COMP）接地，用于電壓和電流環(huán)路。通過(guò)固件配置和控制集成的可編程誤差放大器電路，可實(shí)現(xiàn)電源部分所需的 VBUS 電壓輸出。

（四）降壓 - 升壓控制器工作區(qū)域

根據(jù)輸入電壓（VIN）和輸出電壓（VBUS）的關(guān)系，EZ - PD? CCG7SCF 設(shè)備具有以下幾種工作區(qū)域：

1. 降壓區(qū)域（VIN >> VBUS）：當(dāng) VIN 電壓明顯高于所需的 VBUS 電壓時(shí)，設(shè)備工作在降壓區(qū)域。此時(shí)，升壓側(cè) FET 被禁用，降壓側(cè) FET 作為具有同步整流功能的降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。
2. 升壓區(qū)域（VIN << VBUS）：當(dāng) VIN 電壓明顯低于所需的 VBUS 電壓時(shí)，設(shè)備工作在升壓區(qū)域。此時(shí)，降壓側(cè) FET 被禁用，升壓側(cè) FET 作為具有同步整流功能的升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。
3. 降壓 - 升壓區(qū)域 1（VIN ~> VBUS）：當(dāng) VIN 電壓略高于所需的 VBUS 電壓時(shí)，設(shè)備工作在降壓 - 升壓區(qū)域 1。此時(shí)，升壓側(cè)以固定的 20% 占空比（可編程）工作，降壓側(cè)占空比進(jìn)行調(diào)制以控制輸出電壓。
4. 降壓 - 升壓區(qū)域 2（VIN ~< VBUS）：當(dāng) VIN 電壓略低于所需的 VBUS 電壓時(shí)，設(shè)備工作在降壓 - 升壓區(qū)域 2。此時(shí)，降壓側(cè)以固定的 80% 占空比（可編程）工作，升壓側(cè)（LG2）占空比進(jìn)行調(diào)制以控制輸出電壓。
5. 開關(guān)頻率和擴(kuò)頻：設(shè)備提供 150 kHz 至 600 kHz 的可編程開關(guān)頻率，并支持在所有工作模式下的擴(kuò)頻時(shí)鐘。擴(kuò)頻功能對(duì)于充電應(yīng)用至關(guān)重要，可通過(guò)將開關(guān)引起的發(fā)射分散到較寬的頻譜上，而不是固定頻率，從而降低任何特定頻率下的峰值能量，滿足 EMC/EMI 要求。

（五）模擬塊

設(shè)備具有兩個(gè) 8 位 SAR ADC，用于芯片內(nèi)的通用 A - D 轉(zhuǎn)換應(yīng)用，可通過(guò)片上模擬多路復(fù)用器從 GPIOs 訪問。

（六）集成數(shù)字塊

1. 串行通信塊（SCB）：具有三個(gè) SCB 塊，可配置為 (I^{2}C)、SPI、UART 或 LIN。這些塊實(shí)現(xiàn)了全多主和從 (I^{2}C) 接口，能夠進(jìn)行多主仲裁，符合標(biāo)準(zhǔn)飛利浦 (I^{2}C) 規(guī)范 v3.0。
2. 定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、脈沖寬度調(diào)制器（TCPWM）：支持八個(gè)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器或脈沖寬度調(diào)制器，可用于固件內(nèi)部定時(shí)器或在 GPIOs 上提供基于 PWM 的功能。

（七）I/O 子系統(tǒng)

設(shè)備具有 13 個(gè) GPIOs，包括 (I^{2}C) 和 SWD 引腳，也可作為 GPIOs 使用。GPIO 塊具有多種輸出驅(qū)動(dòng)模式、輸入閾值選擇、輸入和輸出禁用的單獨(dú)控制、保持模式和可選的壓擺率，以進(jìn)行 dV/dt 相關(guān)的噪聲控制。此外，一對(duì) GPIOs 具有過(guò)壓容限（OVT）。

（八）系統(tǒng)資源

1. 看門狗定時(shí)器：由內(nèi)部低速振蕩器（ILO）驅(qū)動(dòng)，可在深度睡眠期間運(yùn)行，若在超時(shí)前未得到服務(wù)，可生成看門狗復(fù)位。
2. 復(fù)位：設(shè)備可通過(guò)多種源進(jìn)行復(fù)位，包括軟件復(fù)位。XRES 引腳是用于斷言外部硬件復(fù)位的專用引腳。
3. 時(shí)鐘系統(tǒng)：具有完全集成的時(shí)鐘，無(wú)需外部晶體。時(shí)鐘系統(tǒng)負(fù)責(zé)為所有需要時(shí)鐘的子系統(tǒng)（SCB 和 PD）提供時(shí)鐘，并在不同時(shí)鐘源之間進(jìn)行切換。
4. IMO 時(shí)鐘源：內(nèi)部主振蕩器是設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘的主要來(lái)源，默認(rèn)頻率為 48 MHz ± 2%。
5. ILO 時(shí)鐘源：內(nèi)部低功耗振蕩器是一種非常低功耗、相對(duì)不準(zhǔn)確的振蕩器，主要用于在 USB 掛起（深度睡眠）模式下為外設(shè)操作生成時(shí)鐘。

四、電源子系統(tǒng)

（一）電源架構(gòu)

EZ - PD? CCG7SCF 設(shè)備的電源子系統(tǒng)由 VIN 電源供電，VIN 電壓范圍為 4 V 至 24 V。內(nèi)部 5V LDO 的輸出 VDDD 引腳從 VIN 電源獲取輸入，電流能力高達(dá) 75 mA，包括內(nèi)部和外部負(fù)載。VCCD 引腳是核心（1.8 V）調(diào)節(jié)器的輸出，僅用于連接 0.1 - μF 電容器以確保調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，不支持作為外部負(fù)載的電源。

（二）VIN 欠壓鎖定（UVLO）

支持 UVLO 功能，當(dāng)輸入電壓低于可靠水平時(shí)，設(shè)備將關(guān)閉，確保設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的可預(yù)測(cè)行為。

（三）外部 VDDD 電源使用

默認(rèn)情況下，不支持外部 VDDD 電源，但可通過(guò)固件啟用。啟用外部 VDDD 電源的前提是始終保持 VIN 高于 VDDD。

（四）電源模式

五、引腳列表