EZ - PD? CCG7SCF：單端口 USB Type - C 電源解決方案深度剖析

在當今電子設備快速發(fā)展的時代，USB Type - C 接口憑借其強大的功能和廣泛的應用，成為了電子設備充電和數(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，在消費充電和擴展塢應用領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。下面，我們就來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 - 升壓控制器和兩個開關(guān) FET，主要面向消費充電和擴展塢應用。它不僅符合最新的 USB Type - C 和 PD 規(guī)范，還通過高度集成的設計減少了物料清單（BOM），為單端口消費充電和擴展塢需求提供了優(yōu)化的解決方案。同時，該產(chǎn)品在 VBUS 上具備硬件控制的保護功能，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 USB PD 端口，滿足單端口設備的充電需求。
2. 最新標準兼容：支持最新的 USB PD 3.1 標準，包括可編程電源（PPS）模式，能夠提供更靈活的電源輸出。
3. 擴展數(shù)據(jù)消息：支持擴展數(shù)據(jù)消息，增強了數(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 (R3kspceigf27)，方便根據(jù)不同的應用場景進行調(diào)整。
2. VBUS 提供者 NFET 柵極驅(qū)動器：集成了 VBUS 提供者 NFET 的柵極驅(qū)動器，簡化了電路設計。
3. VCONN 電源供應：集成了 100 - mW VCONN 電源供應和控制功能，滿足 USB Type - C 規(guī)范中對 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)實際需求進行編程。
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)步長為 20 - mV，電流調(diào)節(jié)步長為 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模式（PSM）和強制連續(xù)電流/傳導模式（FCCM），以及軟啟動功能，提高了電源轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
5. 低 EMI 設計：可編程的擴頻頻率調(diào)制功能，有效降低了電磁干擾（EMI）。
6. 集成 FET：集成了兩個降壓開關(guān) FET，進一步簡化了電路設計。

（四）系統(tǒng)級保護特性

1. 電壓電流保護：具備片上 VBUS 過壓保護（OVP）、過流保護（OCP）、欠壓保護（UVP）以及 VBUS 至 CC 短路保護功能，確保設備在異常情況下的安全運行。
2. 溫度保護：通過集成的 ADC 電路和內(nèi)部溫度傳感器支持過溫保護，同時支持使用外部熱敏電阻進行連接器和電路板溫度測量。

（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)化了低功耗運行，具備廣泛的時鐘門控功能。
2. 大容量存儲：擁有 128 - KB 閃存、16 - KB SRAM 和 32 - KB ROM，為用戶應用提供了充足的存儲空間。

（六）外設和 GPIO 特性

1. 豐富的 GPIO：多達 13 個 GPIO，包括兩個過壓 GPIO，可滿足各種外部設備的連接需求。
2. ADC 和 PWM：2 個 8 位 ADC 和 8 個 16 位定時器/計數(shù)器/PWM（TCPWM），提供了靈活的模擬和數(shù)字信號處理能力。

（七）通信接口特性

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

（八）時鐘和振蕩器特性

集成了振蕩器，無需外部時鐘，簡化了電路設計。

（九）電源供應特性

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，專為低功耗運行而優(yōu)化，采用了廣泛的時鐘門控技術(shù)。它主要使用 16 位指令，執(zhí)行 Thumb - 2 指令集的子集，并包含一個硬件乘法器，能夠在一個周期內(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

設備擁有 128 - KB 閃存和 32 - KB ROM 用于非易失性存儲。ROM 存儲了用于認證和設備驅(qū)動程序的庫，如 (I^{2}C)、SPI 等，從而為用戶應用節(jié)省了閃存空間。16 - KB RAM 在軟件控制下用于存儲系統(tǒng)變量和參數(shù)的臨時狀態(tài)，同時還提供了一個包含啟動和配置例程的監(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 標準在 CC 通道上傳輸 BMC 編碼數(shù)據(jù)。所有通信均為半雙工，物理層實現(xiàn)了沖突避免機制，以減少通道上的通信錯誤。
2. VCONN 開關(guān)和 100mW VCONN 源：集成了 VCONN 開關(guān)和過流保護電路，能夠為電子標記電纜組件（EMCA）、VCONN 供電設備（VPD）和 VCONN 供電附件（VPA）提供 100 mW 的 VCONN 電源。
3. VBUS 欠壓和過壓保護（UVP 和 OVP）：使用內(nèi)部電阻分壓器監(jiān)控 VBUS 欠壓和過壓故障，故障閾值和響應時間可由用戶配置。在發(fā)生 UVP 或 OVP 時，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 過流和短路保護（OCP 和 SCP）：使用內(nèi)部電流感測放大器監(jiān)控 VBUS 過流和短路故障，OCP 和 SCP 故障閾值和響應時間同樣可配置。在發(fā)生 OCP 或 SCP 時，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)電流感測放大器（HS CSA）：通過與 VBUS 路徑串聯(lián)的外部電阻（5 mΩ）支持 VBUS 電流測量和控制，用于測量平均輸出電流，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，在檢測到設備斷開連接、故障或硬復位時，可在 USB 電源傳輸規(guī)范規(guī)定的時間內(nèi)將輸出 VBUS 端子放電至 vSafe5V 和/或 vSafe0V。
7. VBUS 提供者 NFET 柵極驅(qū)動器：集成了高壓柵極驅(qū)動器，用于驅(qū)動 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)充電檢測和支持：實現(xiàn)了對 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功能。
9. VBUS 至 CC 短路保護：CC 引腳集成了防止意外短路到高電壓 VBUS 和 VBAT 的保護功能，能夠承受高達 24 V 的外部電壓而不損壞。在檢測到 CC 引腳過壓時，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）電流感測放大器（CSA）：在升壓和降壓模式下實現(xiàn)峰值電流控制，通過與降壓控制 FET 串聯(lián)的外部電阻（5 mΩ）進行峰值電流感測。該電流感測放大器具有高帶寬和非常寬的共模范圍，并實現(xiàn)了斜率補償，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)動器（HG/LG）：提供兩個 N 通道 MOSFET 柵極驅(qū)動器，分別用于驅(qū)動高端和低端外部 FET。柵極驅(qū)動器的驅(qū)動強度、死區(qū)時間控制和過零電平均可編程，還包含過零檢測器（ZCD），用于實現(xiàn)具有二極管仿真功能的不連續(xù)導通模式（DCM）。
3. 脈沖寬度調(diào)制器（PWM）：生成用于驅(qū)動外部 FET 的控制信號，具有多種可編程選項，如最小/最大脈沖寬度、最小/最大周期、頻率和脈沖跳過級別，以優(yōu)化系統(tǒng)設計。支持脈沖跳過模式（PSM）和強制連續(xù)導通模式（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)。誤差放大器是跨導型放大器，具有單個補償引腳（COMP）接地，用于電壓和電流環(huán)路。通過固件配置和控制集成的可編程誤差放大器電路，可實現(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 設備具有以下幾種工作區(qū)域：

1. 降壓區(qū)域（VIN >> VBUS）：當 VIN 電壓明顯高于所需的 VBUS 電壓時，設備工作在降壓區(qū)域。此時，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)換器進行控制。
2. 升壓區(qū)域（VIN << VBUS）：當 VIN 電壓明顯低于所需的 VBUS 電壓時，設備工作在升壓區(qū)域。此時，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)換器進行控制。
3. 降壓 - 升壓區(qū)域 1（VIN ~> VBUS）：當 VIN 電壓略高于所需的 VBUS 電壓時，設備工作在降壓 - 升壓區(qū)域 1。此時，升壓側(cè)以固定的 20% 占空比（可編程）工作，降壓側(cè)占空比進行調(diào)制以控制輸出電壓。
4. 降壓 - 升壓區(qū)域 2（VIN ~< VBUS）：當 VIN 電壓略低于所需的 VBUS 電壓時，設備工作在降壓 - 升壓區(qū)域 2。此時，降壓側(cè)以固定的 80% 占空比（可編程）工作，升壓側(cè)（LG2）占空比進行調(diào)制以控制輸出電壓。
5. 開關(guān)頻率和擴頻：設備提供 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頻時鐘。擴頻功能對于充電應用至關(guān)重要，可通過將開關(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

設備具有兩個 8 位 SAR ADC，用于芯片內(nèi)的通用 A - D 轉(zhuǎn)換應用，可通過片上模擬多路復用器從 GPIOs 訪問。

（六）集成數(shù)字塊

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

（七）I/O 子系統(tǒng)

設備具有 13 個 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)動模式、輸入閾值選擇、輸入和輸出禁用的單獨控制、保持模式和可選的壓擺率，以進行 dV/dt 相關(guān)的噪聲控制。此外，一對 GPIOs 具有過壓容限（OVT）。

（八）系統(tǒng)資源

1. 看門狗定時器：由內(nèi)部低速振蕩器（ILO）驅(qū)動，可在深度睡眠期間運行，若在超時前未得到服務，可生成看門狗復位。
2. 復位：設備可通過多種源進行復位，包括軟件復位。XRES 引腳是用于斷言外部硬件復位的專用引腳。
3. 時鐘系統(tǒng)：具有完全集成的時鐘，無需外部晶體。時鐘系統(tǒng)負責為所有需要時鐘的子系統(tǒng)（SCB 和 PD）提供時鐘，并在不同時鐘源之間進行切換。
4. IMO 時鐘源：內(nèi)部主振蕩器是設備內(nèi)部時鐘的主要來源，默認頻率為 48 MHz ± 2%。
5. ILO 時鐘源：內(nèi)部低功耗振蕩器是一種非常低功耗、相對不準確的振蕩器，主要用于在 USB 掛起（深度睡眠）模式下為外設操作生成時鐘。

四、電源子系統(tǒng)

（一）電源架構(gòu)

EZ - PD? CCG7SCF 設備的電源子系統(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 75 mA，包括內(nèi)部和外部負載。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，不支持作為外部負載的電源。

（二）VIN 欠壓鎖定（UVLO）

支持 UVLO 功能，當輸入電壓低于可靠水平時，設備將關(guān)閉，確保設備在正常運行時的可預測行為。

（三）外部 VDDD 電源使用

默認情況下，不支持外部 VDDD 電源，但可通過固件啟用。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