EZ - PD™ CCG7SCF：单端口 USB Type - C 电源解决方案深度剖析

在当今电子设备快速发展的时代，USB Type - C 接口凭借其强大的功能和广泛的应用，成为了电子设备充电和数据传输的主流选择。EZ - PD™ CCG7SCF 作为一款高度集成的单端口 USB Type - C 电源解决方案，在消费充电和扩展坞应用领域展现出了卓越的性能。下面，我们就来深入了解一下这款产品。

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一、产品概述

EZ - PD™ CCG7SCF 是一款高度集成的单端口 USB Type - C 电源传输（PD）解决方案，集成了降压 - 升压控制器和两个开关 FET，主要面向消费充电和扩展坞应用。它不仅符合最新的 USB Type - C 和 PD 规范，还通过高度集成的设计减少了物料清单（BOM），为单端口消费充电和扩展坞需求提供了优化的解决方案。同时，该产品在 VBUS 上具备硬件控制的保护功能，支持广泛的输入电压范围（4 V 至 24 V，耐压 40 V）和可编程的开关频率（150 kHz 至 600 kHz）。

二、核心特性

（一）USB PD 特性

1. 单端口支持：支持一个 USB PD 端口，满足单端口设备的充电需求。
2. 最新标准兼容：支持最新的 USB PD 3.1 标准，包括可编程电源（PPS）模式，能够提供更灵活的电源输出。
3. 扩展数据消息：支持扩展数据消息，增强了数据传输的能力。

（二）Type - C 特性

1. 可配置电阻：具有可配置的电阻 (R{p}) 和 (R{d})，方便根据不同的应用场景进行调整。
2. VBUS 提供者 NFET 栅极驱动器：集成了 VBUS 提供者 NFET 的栅极驱动器，简化了电路设计。
3. VCONN 电源供应：集成了 100 - mW VCONN 电源供应和控制功能，满足 USB Type - C 规范中对 VCONN 的要求。

（三）降压 - 升压控制器特性

1. 宽频率范围：开关频率范围为 150 至 600 kHz，可根据实际需求进行编程。
2. 宽输入输出范围：输入电压范围为 4.5 至 24 V，耐压 40 V；输出电压范围为 3.3 至 21.5 V。
3. PPS 高精度调节：在 PPS 模式下，电压调节步长为 20 - mV，电流调节步长为 50 - mA，提供了高精度的电源输出。
4. 多种工作模式：支持可选的脉冲跳过模式（PSM）和强制连续电流/传导模式（FCCM），以及软启动功能，提高了电源转换效率和稳定性。
5. 低 EMI 设计：可编程的扩频频率调制功能，有效降低了电磁干扰（EMI）。
6. 集成 FET：集成了两个降压开关 FET，进一步简化了电路设计。

（四）系统级保护特性

1. 电压电流保护：具备片上 VBUS 过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、欠压保护（UVP）以及 VBUS 至 CC 短路保护功能，确保设备在异常情况下的安全运行。
2. 温度保护：通过集成的 ADC 电路和内部温度传感器支持过温保护，同时支持使用外部热敏电阻进行连接器和电路板温度测量。

（五）32 位 MCU 子系统特性

1. 高性能 CPU：采用 48 - MHz Arm® Cortex® - M0 CPU，优化了低功耗运行，具备广泛的时钟门控功能。
2. 大容量存储：拥有 128 - KB 闪存、16 - KB SRAM 和 32 - KB ROM，为用户应用提供了充足的存储空间。

（六）外设和 GPIO 特性

1. 丰富的 GPIO：多达 13 个 GPIO，包括两个过压 GPIO，可满足各种外部设备的连接需求。
2. ADC 和 PWM：2 个 8 位 ADC 和 8 个 16 位定时器/计数器/PWM（TCPWM），提供了灵活的模拟和数字信号处理能力。

（七）通信接口特性

具备 3 个 SCB（I²C/SPI/UART/LIN）通信接口，方便与其他设备进行数据通信。

（八）时钟和振荡器特性

集成了振荡器，无需外部时钟，简化了电路设计。

（九）电源供应特性

1. 宽输入输出范围：输入电压范围为 4 至 24 V，耐压 40 V；输出电压范围为 3.3 至 21.5 V。
2. 集成 LDO：集成了能够提供 5 V @ 75 mA 的 LDO，为其他电路提供稳定的电源。

（十）封装特性

采用 39 引脚 LGA（6 mm × 7 mm）封装，具有 - 40°C 至 + 105°C 的扩展工业温度范围，适用于各种恶劣的工作环境。

三、功能模块详解

（一）MCU 子系统

1. CPU

Cortex® - M0 是一款 32 位 MCU，专为低功耗运行而优化，采用了广泛的时钟门控技术。它主要使用 16 位指令，执行 Thumb - 2 指令集的子集，并包含一个硬件乘法器，能够在一个周期内提供 32 位结果。此外，它还配备了中断控制器（NVIC 块）和唤醒中断控制器（WIC），可从深度睡眠模式中唤醒处理器。

2. 闪存 ROM 和 SRAM

设备拥有 128 - KB 闪存和 32 - KB ROM 用于非易失性存储。ROM 存储了用于认证和设备驱动程序的库，如 (I^{2}C)、SPI 等，从而为用户应用节省了闪存空间。16 - KB RAM 在软件控制下用于存储系统变量和参数的临时状态，同时还提供了一个包含启动和配置例程的监控 ROM。

（二）USB PD 子系统

该子系统为 Type - C USB 端口提供接口，主要包括以下几个部分：

1. USBPD 物理层：包含 USBPD 物理层块和支持电路，由发射器和接收器组成，可根据 PD 3.1 标准在 CC 通道上传输 BMC 编码数据。所有通信均为半双工，物理层实现了冲突避免机制，以减少通道上的通信错误。
2. VCONN 开关和 100mW VCONN 源：集成了 VCONN 开关和过流保护电路，能够为电子标记电缆组件（EMCA）、VCONN 供电设备（VPD）和 VCONN 供电附件（VPA）提供 100 mW 的 VCONN 电源。
3. VBUS 欠压和过压保护（UVP 和 OVP）：使用内部电阻分压器监控 VBUS 欠压和过压故障，故障阈值和响应时间可由用户配置。在发生 UVP 或 OVP 时，可配置为在一定数量的用户可配置重试后关闭 Type - C 端口。
4. VBUS 过流和短路保护（OCP 和 SCP）：使用内部电流感测放大器监控 VBUS 过流和短路故障，OCP 和 SCP 故障阈值和响应时间同样可配置。在发生 OCP 或 SCP 时，可配置为在一定数量的用户可配置重试后关闭 Type - C 端口。
5. VBUS 输出高侧电流感测放大器（HS CSA）：通过与 VBUS 路径串联的外部电阻（5 mΩ）支持 VBUS 电流测量和控制，用于测量平均输出电流，并在 PPS 电流折返模式下精确控制输出电流。
6. VBUS 放电控制：支持高电压（21.5 V）VBUS 放电电路，在检测到设备断开连接、故障或硬复位时，可在 USB 电源传输规范规定的时间内将输出 VBUS 端子放电至 vSafe5V 和/或 vSafe0V。
7. VBUS 提供者 NFET 栅极驱动器：集成了高压栅极驱动器，用于驱动 VBUS 提供者路径上的外部高端 NFET。具有可选的缓慢开启功能，可减少输出端的高电流尖峰。
8. 传统充电检测和支持：实现了对 USB BC.1.2、传统苹果充电、高通快速充电 2.0/3.0/4.0/5.0 和三星 AFC 协议的电池充电器仿真和检测功能。
9. VBUS 至 CC 短路保护：CC 引脚集成了防止意外短路到高电压 VBUS 和 VBAT 的保护功能，能够承受高达 24 V 的外部电压而不损坏。在检测到 CC 引脚过压时，可配置为完全关闭 Type - C 端口。

（三）降压 - 升压子系统

该子系统可配置为降压 - 升压模式、仅降压模式或仅升压模式，主要功能模块包括：

1. 高侧（逐周期）电流感测放大器（CSA）：在升压和降压模式下实现峰值电流控制，通过与降压控制 FET 串联的外部电阻（5 mΩ）进行峰值电流感测。该电流感测放大器具有高带宽和非常宽的共模范围，并实现了斜率补偿，以避免内部电流环的次谐波振荡。
2. 高侧和低侧栅极驱动器（HG/LG）：提供两个 N 通道 MOSFET 栅极驱动器，分别用于驱动高端和低端外部 FET。栅极驱动器的驱动强度、死区时间控制和过零电平均可编程，还包含过零检测器（ZCD），用于实现具有二极管仿真功能的不连续导通模式（DCM）。
3. 脉冲宽度调制器（PWM）：生成用于驱动外部 FET 的控制信号，具有多种可编程选项，如最小/最大脉冲宽度、最小/最大周期、频率和脉冲跳过级别，以优化系统设计。支持脉冲跳过模式（PSM）和强制连续导通模式（FCCM），可在轻载条件下优化效率并减少损耗。
4. 误差放大器（EA）：包含两个误差放大器，用于输出电压和电流调节。误差放大器是跨导型放大器，具有单个补偿引脚（COMP）接地，用于电压和电流环路。通过固件配置和控制集成的可编程误差放大器电路，可实现电源部分所需的 VBUS 电压输出。

（四）降压 - 升压控制器工作区域

根据输入电压（VIN）和输出电压（VBUS）的关系，EZ - PD™ CCG7SCF 设备具有以下几种工作区域：

1. 降压区域（VIN >> VBUS）：当 VIN 电压明显高于所需的 VBUS 电压时，设备工作在降压区域。此时，升压侧 FET 被禁用，降压侧 FET 作为具有同步整流功能的降压转换器进行控制。
2. 升压区域（VIN << VBUS）：当 VIN 电压明显低于所需的 VBUS 电压时，设备工作在升压区域。此时，降压侧 FET 被禁用，升压侧 FET 作为具有同步整流功能的升压转换器进行控制。
3. 降压 - 升压区域 1（VIN ~> VBUS）：当 VIN 电压略高于所需的 VBUS 电压时，设备工作在降压 - 升压区域 1。此时，升压侧以固定的 20% 占空比（可编程）工作，降压侧占空比进行调制以控制输出电压。
4. 降压 - 升压区域 2（VIN ~< VBUS）：当 VIN 电压略低于所需的 VBUS 电压时，设备工作在降压 - 升压区域 2。此时，降压侧以固定的 80% 占空比（可编程）工作，升压侧（LG2）占空比进行调制以控制输出电压。
5. 开关频率和扩频：设备提供 150 kHz 至 600 kHz 的可编程开关频率，并支持在所有工作模式下的扩频时钟。扩频功能对于充电应用至关重要，可通过将开关引起的发射分散到较宽的频谱上，而不是固定频率，从而降低任何特定频率下的峰值能量，满足 EMC/EMI 要求。

（五）模拟块

设备具有两个 8 位 SAR ADC，用于芯片内的通用 A - D 转换应用，可通过片上模拟多路复用器从 GPIOs 访问。

（六）集成数字块

1. 串行通信块（SCB）：具有三个 SCB 块，可配置为 (I^{2}C)、SPI、UART 或 LIN。这些块实现了全多主和从 (I^{2}C) 接口，能够进行多主仲裁，符合标准飞利浦 (I^{2}C) 规范 v3.0。
2. 定时器、计数器、脉冲宽度调制器（TCPWM）：支持八个定时器或计数器或脉冲宽度调制器，可用于固件内部定时器或在 GPIOs 上提供基于 PWM 的功能。

（七）I/O 子系统

设备具有 13 个 GPIOs，包括 (I^{2}C) 和 SWD 引脚，也可作为 GPIOs 使用。GPIO 块具有多种输出驱动模式、输入阈值选择、输入和输出禁用的单独控制、保持模式和可选的压摆率，以进行 dV/dt 相关的噪声控制。此外，一对 GPIOs 具有过压容限（OVT）。

（八）系统资源

1. 看门狗定时器：由内部低速振荡器（ILO）驱动，可在深度睡眠期间运行，若在超时前未得到服务，可生成看门狗复位。
2. 复位：设备可通过多种源进行复位，包括软件复位。XRES 引脚是用于断言外部硬件复位的专用引脚。
3. 时钟系统：具有完全集成的时钟，无需外部晶体。时钟系统负责为所有需要时钟的子系统（SCB 和 PD）提供时钟，并在不同时钟源之间进行切换。
4. IMO 时钟源：内部主振荡器是设备内部时钟的主要来源，默认频率为 48 MHz ± 2%。
5. ILO 时钟源：内部低功耗振荡器是一种非常低功耗、相对不准确的振荡器，主要用于在 USB 挂起（深度睡眠）模式下为外设操作生成时钟。

四、电源子系统

（一）电源架构

EZ - PD™ CCG7SCF 设备的电源子系统由 VIN 电源供电，VIN 电压范围为 4 V 至 24 V。内部 5V LDO 的输出 VDDD 引脚从 VIN 电源获取输入，电流能力高达 75 mA，包括内部和外部负载。VCCD 引脚是核心（1.8 V）调节器的输出，仅用于连接 0.1 - µF 电容器以确保调节器的稳定性，不支持作为外部负载的电源。

（二）VIN 欠压锁定（UVLO）

支持 UVLO 功能，当输入电压低于可靠水平时，设备将关闭，确保设备在正常运行时的可预测行为。

（三）外部 VDDD 电源使用

默认情况下，不支持外部 VDDD 电源，但可通过固件启用。启用外部 VDDD 电源的前提是始终保持 VIN 高于 VDDD。

（四）电源模式

设备具有多种电源模式，包括 RESET、ACTIVE、SLEEP、DEEP SLEEP 和 XRES，不同模式下的功耗和功能有所不同，具体如下表所示：	模式	描述
RESET	电源有效且 XRES 未断言。内部复位源被断言或睡眠控制器正在对系统进行复位操作
ACTIVE	电源有效且 CPU 正在执行指令
SLEEP	电源有效且 CPU 未执行指令。所有不运行的逻辑都被时钟门控以节省电源
DEEP SLEEP	主调节器和大多数硬 IP 关闭。深度睡眠调节器为逻辑供电，但仅提供低频时钟
XRES	电源有效且 XRES 被断言。核心断电

五、引脚列表

该设备采用 39 - LGA 封装，各引脚具有不同的功能和电压范围，具体引脚信息如下表所示：	引脚编号	引脚名称	绝对最小电压（V）	绝对最大电压（V）	描述
1	NC			浮空，请勿连接
2	SW1	- 0.7	35	降压高端栅极驱动器的负电源轨，连接到降压（输入）侧的开关节点（电感器）
3	NC			浮空，请勿连接
4	PVDD		VDDD	低端栅极驱动器的电源，连接到 VDDD，使用 1 uF 和 0.1 uF 旁路电容器
5	LG2	- 0.5	PVDD + 0.5[1]	升压低端栅极驱动器输出，连接到升压（输出）侧控制（低端）FET 栅极
6	VOUT	- 0.3	24	降压 - 升压转换器的输出，连接到升压同步（高端）FET 的漏极