EZ - PD™ CCG7SC：单端口 USB Type - C 与 PD 和升降压控制器的深度剖析

在当今的电子世界中，USB Type - C 接口凭借其强大的功能和广泛的应用，成为了充电和数据传输的主流标准。而 EZ - PD™ CCG7SC 作为一款高度集成的单端口 USB Type - C 电源传输（PD）解决方案，无疑为单端口消费充电应用带来了新的活力。今天，我们就来深入了解一下这款芯片。

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一、概述

EZ - PD™ CCG7SC 集成了升降压控制器，不仅符合最新的 USB Type - C 和 PD 规范，还能有效减少材料清单（BOM），为单端口消费充电需求提供了优化的解决方案。它拥有一个片上 32 位 Arm® Cortex® - M0 处理器、128 - KB 闪存、16 - KB RAM 和 32 - KB ROM，为用户应用留下了大量的闪存空间。同时，它还包含了各种模拟和数字外设，如 ADC、PWM 和定时器，使得用户可以实现自定义的系统管理功能。

二、应用领域

1. 单端口消费充电应用：如手机、平板电脑等设备的充电器。
2. 电源充电器：为各种电子设备提供稳定的电源。
3. 点烟器适配器（CLA）：在汽车环境中为移动设备充电。

三、特性分析

（一）USBPD 特性

1. 单端口支持：支持一个 USBPD 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 USBPD 3.1 标准，包括可编程电源（PPS）模式，能够提供更灵活的充电电压和电流。
3. 扩展数据消息：支持扩展数据消息，方便设备之间的通信。

（二）Type - C 特性

1. 可配置电阻：可配置电阻 $R{p}$ 和 $R{d}$，满足不同的应用需求。
2. VBUS 驱动：具备 VBUS 提供方 NFET 栅极驱动器，确保 VBUS 信号的稳定输出。
3. VCONN 电源：集成了 100 - mW VCONN 电源和控制，为电子标记电缆组件（EMCA）、VCONN 供电设备（VPD）和 VCONN 供电配件（VPA）提供电源。

（三）升降压控制器特性

1. 宽频率范围：开关频率范围为 150 至 600 kHz，可根据实际应用进行调整。
2. 宽输入电压：输入电压范围为 4.5 至 24 V，耐受 40 V 电压，适应不同的电源环境。
3. 输出灵活：输出电压范围为 3.3 至 21.5 V，满足多种设备的充电需求。
4. PPS 支持：在 PPS 模式下，具有 20 - mV 电压和 50 - mA 电流步长，实现精确的充电控制。
5. 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），优化轻载条件下的效率。
6. 软启动功能：支持软启动，减少启动时的电流冲击。
7. 低 EMI 设计：可编程的扩频频率调制，降低电磁干扰（EMI）。

（四）传统充电支持

支持 Qualcomm QC 2.0/3.0/4.0/5.0、Apple 充电 2.4 A、Samsung 自适应快速充电（AFC）、USB BC 1.2 等传统充电协议，兼容性强。

（五）系统级故障保护

1. VBUS 保护：具备片上 VBUS 过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、欠压保护（UVP）和 VBUS 至 CC 短路保护，确保设备的安全运行。
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，还支持使用外部热敏电阻进行连接器和电路板温度测量。

四、功能模块详解

（一）MCU 子系统

1. CPU：采用 32 位 Cortex - M0 处理器，优化了低功耗操作，执行 Thumb - 2 指令集的子集，并包含硬件乘法器，提高计算效率。
2. 存储资源：128 - KB 闪存用于存储用户代码和固件，32 - KB ROM 存储认证库和设备驱动，16 - KB RAM 用于存储系统变量和参数。

（二）USB PD 子系统

1. 物理层：包含 USBPD 物理层块和支持电路，通过 CC 通道进行 BMC 编码数据的通信，支持最新的 USBPD 3.1 标准。
2. VCONN 开关：内部 LDO 电压调节器能够为 VCONN 供电，集成了 VCONN 开关和过流保护，确保 VCONN 电源的稳定和安全。
3. VBUS 保护：通过内部电阻分压器监测 VBUS 的欠压和过压故障，可配置故障阈值和响应时间。
4. VBUS 电流控制：支持使用外部电阻测量和控制 VBUS 电流，在 PPS 电流折返模式下精确控制输出电流。
5. VBUS 放电控制：支持高电压（21.5 V）VBUS 放电电路，在设备断开、故障或硬复位时，将输出 VBUS 端子放电至安全电压。
6. 栅极驱动器：集成高电压栅极驱动器，驱动外部高侧 NFET，具备可选的慢开启功能，减少输出电流尖峰。
7. 传统充电检测：实现了电池充电器仿真和检测功能，支持多种传统充电协议。
8. CC 短路保护：CC 引脚具备防止意外短路到高电压 VBUS 和 VBAT 的保护功能。

（三）升降压子系统

1. 电流检测：采用高侧（逐周期）电流检测放大器，实现峰值电流控制，通过外部电阻进行电流检测，并具备斜率补偿功能，避免次谐波振荡。
2. 栅极驱动：提供四个 N 通道 MOSFET 栅极驱动器，包括两个浮动高侧和两个接地参考低侧驱动器，具有可编程的驱动强度和死区时间控制。
3. 误差放大器：包含两个误差放大器，用于输出电压和电流调节，通过 PWM 块控制外部 FET。
4. PWM 控制：PWM 块生成控制信号，具有多种可编程选项，支持脉冲跳过模式（PSM）和强制连续传导模式（FCCM），优化系统效率。

（四）其他模块

1. 模拟块：拥有两个 8 位 SAR ADC，用于通用的 A - D 转换应用。
2. 集成数字块：三个 SCB 块可配置为 $I^{2} C$、SPI、UART 或 LIN，支持全多主和从 $I^{2} C$ 接口。
3. I/O 子系统：具有 13 个 GPIO，支持多种输出驱动模式、输入阈值选择、输入和输出禁用控制、保持模式和可选的压摆率控制，部分 GPIO 具备过压耐受能力。
4. 系统资源：包含看门狗定时器、复位功能、时钟系统、内部主振荡器和内部低速振荡器，确保系统的稳定运行。

五、电源子系统

（一）VIN 欠压锁定（UVLO）

支持 UVLO 功能，当输入电压低于可靠水平时，设备自动关闭，保证设备的稳定运行。

（二）外部 VDDD 电源

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 VIN 始终高于 VDDD。

（三）电源模式

设备具有多种电源模式，如 RESET、ACTIVE、SLEEP、DEEP SLEEP 和 XRES，用户可以根据实际需求进行选择。

六、引脚列表

该芯片采用 40 - 引脚 QFN 封装，每个引脚都有特定的功能，如 HG1、LG1 等用于驱动外部 FET，CC1、CC2 用于 Type - C 端口的配置通道，VIN 用于输入电源等。在设计电路时，需要根据引脚的功能和电气特性进行合理的连接和布局。

七、编程和引导加载

（一）编程方式

1. SWD 接口编程：在开发或产品制造过程中，可通过 SWD 接口对设备的闪存进行编程。Infineon 提供了 CY8CKIT - 005 MiniProg4 编程硬件，方便用户进行编程和调试。
2. 特定接口固件更新：产品制造完成后，可通过 CC、$I^{2} C$ 等接口更新应用固件。但在批量生产前，建议使用 EZ - PD™ 配置实用程序关闭通过 CC 或 $I^{2} C$ 接口的应用固件更新功能，防止未经授权的固件更新。

八、应用案例

（一）单端口点烟器适配器（CLA）

在汽车环境中，CLA 由汽车电池供电，为移动设备充电。CCG7SC 始终处于 DFP 角色，与连接的设备协商功率，并使用集成的升降压控制器提供所需的电压和电流。当 USB Type - C 端口无负载时，CCG7SC 进入待机模式，降低功耗。

（二）降压模式应用

使用集成的降压控制器为连接的设备提供所需的电压和电流。该应用与 CLA 应用类似，但仅采用降压拓扑，要求协商的电压始终低于输入电压。

（三）USB - PD 多端口充电器和适配器

可通过一个 CCG7DC 和一个 CCG7SC 控制器或三个单独的 CCG7SC 控制器实现 AC - DC 电源应用的 USB - PD 多端口充电器和适配器解决方案。CCG7DC 和 CCG7SC 始终处于 DFP 角色，支持设备充电，通过集成的降压控制器提供所需的电压和电流。

九、电气规格

（一）绝对最大额定值

包括输入电压、输出电压、GPIO 电流等参数的绝对最大额定值，使用时需注意不要超过这些限制，以免损坏设备。

（二）设备级规格

涵盖了输入电源电压、VDDD 输出电压、VBUS 电压范围、电源电流等参数的详细规格，为电路设计提供了重要的参考依据。

（三）数字外设规格

包括 PWM、$I^{2} C$、UART、SPI 等数字外设的电气规格，确保外设的正常工作。

（四）系统资源规格

涉及电源复位、SWD 接口、内部振荡器等系统资源的规格，保证系统的稳定性和可靠性。

十、总结

EZ - PD™ CCG7SC 是一款功能强大、集成度高的单端口 USB Type - C 电源传输解决方案，具有广泛的应用领域和丰富的特性。在设计电子设备的充电电路时，我们可以充分利用其优势，实现高效、安全、灵活的充电功能。但在实际应用中，我们也需要根据具体的需求和场景，合理选择和配置芯片的参数，确保系统的性能和稳定性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。