USB Type-C 和 USB PD 简介

发表于 2024-12-28 23:52

USB Type-C 和 USB PD 简介
1.1 USB Type-C 特性
通用连接器：支持正反插。
高功率传输：通过 USB PD，支持高达 100W 的功率传输（20V, 5A）。
数据传输：支持 USB 2.0、USB 3.x、DisplayPort 和 Thunderbolt 协议。

USB PD 功能
USB PD 通过 CC（Configuration Channel）引脚实现动态电压、电流协商，允许设备以不同的电压等级（5V, 9V, 15V, 20V）供电。

STM32 MCU 和 MPU 可以通过嵌入式 USB PD 控制器或外部 USB PD 控制器（如 STUSB4500）支持这些功能。

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USB Type-C 和 USB PD 的硬件设计
2.1 硬件组件
USB Type-C 连接器：

VBUS：电源线。
CC 引脚：用于电缆插入检测和 USB PD 协商。
STM32 MCU/MPU：

使用内置 USB PD 控制器的芯片（如 STM32G0、STM32G4 和 STM32U5）。
或通过 I2C/SPI 与外部 USB PD 控制器通信。
外部保护元件：

ESD 保护器件（如 TVS 二极管）。
过流/过压保护器件（如电子熔断器）。
电源路径控制：

N-MOSFET 或专用电源开关 IC，用于控制 VBUS 的电源方向。

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典型硬件设计框图

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关键设计要点
VBUS 功率路径：

使用 N-MOSFET 和高效 DC/DC 转换器。
提供动态电压调整能力（5V 至 20V）。

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CC 引脚的配置：

添加 5.1kΩ 或 56kΩ 电阻（根据设备角色选择 Source 或 Sink）。
确保信号完整性和抗干扰性。

发表于 2024-12-28 23:53

ESD 保护：

在 CC 和 VBUS 引脚上增加 TVS 二极管（如 USBLC6-2SC6）。

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过流和过压保护：

使用快速电子熔断器（如 STEF01）或热敏电阻。

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软件实现
STM32 提供了 USB PD 中间件（USB Power Delivery Stack），用于实现 USB PD 的通信和供电控制。

3.1 软件架构
USB PD 中间件：

提供支持 USB PD 2.0 和 3.0 的协议栈。
实现 PD 消息解析、功率协商和供电控制。
HAL/LL 驱动：

提供低级别硬件访问接口，控制 GPIO、I2C/SPI、定时器等。
应用层：

定义设备角色（Source、Sink 或 DRP）。
处理供电逻辑（如启动/关闭 VBUS、调整电压）。

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配置步骤（使用 STM32CubeMX）
启动项目：

创建一个新项目，选择支持 USB PD 的 STM32 MCU（如 STM32G4）。
启用 USB Type-C/PD 中间件。

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配置 USB PD：

在 CubeMX 的 Middleware 页面，启用 USB PD Stack。
配置设备角色（Source、Sink 或 DRP）。
设置 PDO（Power Data Object）以定义支持的电压/电流。

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生成代码：

生成代码后，基于 usbpd_dpm_user.c 文件实现应用逻辑。

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代码示例
配置 PDO
c
复制代码
/* 定义支持的电源选项 */
uint32_t PDO_List[] =
{
USBPD_PDO_FIXED(5000, 3000, 0),  /* 5V, 3A */
USBPD_PDO_FIXED(9000, 3000, 0),  /* 9V, 3A */
USBPD_PDO_FIXED(15000, 3000, 0), /* 15V, 3A */
USBPD_PDO_FIXED(20000, 3000, 0)  /* 20V, 3A */
};
USBPD_PWR_Port_SetProfile(0, PDO_List, sizeof(PDO_List) / sizeof(PDO_List[0]));

发表于 2024-12-28 23:54

处理电源协商事件
c
复制代码
void USBPD_DPM_UserCableDetection(uint8_t PortNum, USBPD_CAD_EVENT State)
{
switch(State)
{
      case USBPD_CAD_EVENT_ATTEMPT:
         /* 设备连接，准备供电 */
         HAL_GPIO_WritePin(VBUS_EN_GPIO_Port, VBUS_EN_Pin, GPIO_PIN_SET);
         break;

      case USBPD_CAD_EVENT_DETACHED :
         /* 设备断开，停止供电 */
         HAL_GPIO_WritePin(VBUS_EN_GPIO_Port, VBUS_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET);
         break;

      default:
         break;
}
}

发表于 2024-12-28 23:54

案例 1：USB PD Source
设备角色：供电设备（Source）。
配置：
PDO 支持 5V/9V/15V/20V。
动态调整 VBUS 电压，基于接收端需求。

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案例 2：USB PD Sink
设备角色：受电设备（Sink）。
配置：
请求 9V/15V 的供电以匹配内部负载需求。

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案例 3：双角色设备（DRP）
设备角色：动态切换 Source 和 Sink。
配置：
使用 USB PD 协商决定角色。
确保硬件支持双向电流控制。

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测试和验证
硬件验证：

使用示波器测量 CC 和 VBUS 的信号质量。
测试 ESD 抗扰性（IEC 61000-4-2）。

发表于 2024-12-28 23:54

功能验证：

使用 USB PD 分析仪（如 Total Phase PD Analyzer）监测协议交互。
验证设备在不同供电模式下的功能。

发表于 2024-12-28 23:55

功率验证：

测量实际供电能力，验证是否达到设计目标。

发表于 2024-12-28 23:55

通过 AN5225 的指导，结合 STM32 的 USB PD 中间件和硬件支持，可以实现多种 USB Type-C 和 USB PD 应用，包括电源适配器、移动设备充电管理以及智能供电系统。设计时需重点关注硬件保护和软件堆栈的正确实现，以满足 USB PD 的功能和可靠性要求。

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