深入解析CP2615：USB音频到I2S数字音频桥的卓越之选

在当今的电子技术领域，音频设备的开发需求日益增长。为了满足快速开发基于USB的音频应用的需求，Silicon Labs推出了CP2615设备。它是一款功能强大的USB音频到I2S数字音频桥，能够简化音频数据从USB到I2S的传输过程，无需代码开发，大大缩短了USB音频配件和VoIP系统的上市时间。下面，我们将对CP2615进行全面深入的解析。

文件下载：CP2615-EK.pdf

一、产品概述

CP2615采用紧凑的5 x 5 mm QFN - 32封装，集成了USB 2.0全速功能控制器、USB收发器、振荡器、I2S（音频）接口、I2C（控制）接口和UART接口，非常适合空间受限的便携式音频应用。它适用于广泛的USB音频应用，包括USB扬声器、MP3配件、导航系统、USB耳机/头戴式耳机、销售点终端和音乐盒等。

二、关键特性

1. USB音频类1.0：符合USB设备类定义的音频设备版本1.0，在Windows/Android系统上原生支持，无需自定义驱动。
2. 支持USB HID消费者控制：可实现音量和静音同步，方便用户操作。
3. USB - UART桥接功能：提供了额外的数据传输途径。
4. 音频支持：支持48 kHz、16位/24位立体声数字音频，具备44.1 kHz和48 kHz采样率，能满足不同音频需求。
5. 高度集成：集成USB收发器，无需外部电阻；集成时钟，无需外部晶体；片上电压调节器输出3.45 V，降低了外部物料清单成本和PCB占用空间。
6. 供电模式灵活：支持自供电和总线供电模式，优化了低功耗设计，简化了设备供电配件的开发。
7. 无需固件开发：降低了开发难度和成本。

三、电气规格

3.1 推荐工作条件

CP2615的数字电源电压范围为2.7 - 3.6 V，指定工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C。在不同的工作模式下，如活动模式、空闲模式、暂停模式等，其电源电流有所不同。例如，在暂停模式下，电源电流典型值为127 µA；USB上拉电流典型值为200 µA，最大值为228 µA。

3.2 引脚电气特性

I2S、I2C、GPIO和备用功能引脚具有特定的直流电气特性。例如，输出高电压和低电压、输入高电压和低电压、输入泄漏电流等都有相应的参数范围。在设计电路时，需要根据这些参数进行合理的电路布局和信号处理。

3.3 绝对最大额定值

超过推荐工作条件的应力可能会对设备造成永久性损坏。因此，在使用CP2615时，需要严格遵守绝对最大额定值的要求，如VDD相对于GND的电压范围为 - 0.3 V至VDD + 3.6 V等。

四、功能描述

4.1 音频接口

• 接口信号：CP2615提供主时钟输出和双向I2S主模式接口，用于连接外部转换器（如编解码器、DAC或ADC）。I2S_MCLK（12 MHz主时钟输出）用于驱动过采样音频转换器的内部模数或数模转换；I2S_LRCLK（左右时钟信号）指示当前正在传输的通道；I2S_SCLK（串行时钟）的上升沿表示I2S_SDOUT和I2S_SDIN上的数据有效；I2S_SDOUT（串行数据输出）通常连接到外部DAC；I2S_SDIN（串行数据输入）通常连接到外部ADC。
• 音频采样率：支持44.1 kHz和48 kHz的音频采样率。如果同时使用播放和录制功能，它们必须以相同的采样率运行。
• 音频采样分辨率：可以配置为支持以下立体声播放/录制模式之一：播放和录制16位分辨率；仅播放24位或16位分辨率；仅录制24位或16位分辨率。
• 音频端点同步：支持同步端点同步方法（适用于所有输入和输出配置）和异步端点同步方法（适用于仅输入配置）。在同步模式下，CP2615会调整I2S_MCLK和I2S_LRCLK的频率以匹配从USB主机接收的帧起始（SOF）数据包的速率；在异步模式下，CP2615不调整I2S时钟，而是依赖USB主机根据输入端点的隐式反馈提供同步。

4.2 USB功能控制器和收发器

CP2615的USB功能控制器是一个符合USB 2.0标准的全速设备，集成了收发器和片上匹配及上拉电阻。它管理USB主机和CP2615之间的所有控制、音频、HID和IO接口传输。USB端点分配如下：

• 端点0：用于USB控制，实现枚举和正常USB控制功能。
• 端点1：HID接口，用于报告消费者控制按钮的按下情况。
• 端点2：串行I/O接口，可传输串行直通数据或I/O协议消息，方便主机应用与外部设备通信或与CP2615的通用I/O交互。
• 端点3：音频流接口，是一个等时单向或双向音频流端点，可携带USB数字音频数据。

此外，CP2615支持USB暂停和恢复模式，通过SUSPEND（高电平有效）和SUSPENDb（低电平有效）信号控制外部电路的电源开关。当检测到总线上的暂停信号时，CP2615进入暂停模式；当检测到恢复信号、USB复位信号或设备复位时，退出暂停模式。

4.3 异步串行数据总线（UART）接口

CP2615提供异步串行（UART）接口，其功能由设备配置决定。当启用时，UART接口提供与USB主机应用的全双工通信通道。它由GPIO.13/TX（发送）、GPIO.14/RX（接收）数据信号以及GPIO.11/RTS（准备发送）和GPIO.15/CTS（清除发送）流控制信号组成。UART接口使用固定的线路配置（8数据位、1停止位、无奇偶校验，即8N1），支持五种常见的波特率（115200、57600、38400、19200和9600）。在串行直通模式下，UART接口专门用于提供与USB主机应用的双向数据流，其通信格式和内容由应用决定，CP2615不检查或解释数据。

4.4 GPIO

CP2615支持十六个用户可配置的GPIO引脚，每个引脚可以用作输入、开漏输出或推挽输出。这些引脚可以通过CP2615 I/O协议（IOP）进行观察和控制，也可以分配预定义的备用功能。

• 固定备用引脚功能：GPIO.15 - 8引脚具有固定的备用功能，如UART CTS流控制输入、UART接收数据输入、UART发送数据输出、时钟输出、编解码器复位输出、按钮梯输入、ADC模拟输入等。
• 可选备用引脚功能：GPIO.7 - 0引脚具有可选的备用功能，包括HID媒体按钮输入（如播放/暂停、快进、快退、静音、音量增加、音量减少等）和各种状态输出（如暂停模式、低功耗模式、录音静音、播放静音等）。
• IO协议：CP2615实现了简单的消息协议（IO协议），允许USB主机应用查询设备标识信息、GPIO配置，观察和控制GPIO引脚，观察模拟引脚GPIO.8/ADC，接收GPIO/ADC变化的自动通知，执行I2C总线上的小传输，查询UART的错误状态等。

4.5 配置

CP2615具有广泛的可配置功能和属性，其配置参数可分为设备ID和字符串、电源选项、音频选项、GPIO和备用功能等几类。用户可以使用CP2615评估套件提供的工具轻松自定义和编程配置参数，也可以在生产环境中使用行业标准的I2C EEPROM编程器进行原位编程，还可以订购预编程的设备。配置大小最大为2800字节，基本配置长度（无编解码器配置和最小标识字符串）约为575字节。

4.6 I2C接口

CP2615的I2C接口工作在标准模式，标称频率为100 kbits/s。SCL（时钟）和SDA（数据）线需要外部上拉电阻以确保正常工作。根据CFGMODEb输入引脚的状态，CP2615可以工作在正常模式（CFGMODEb = 高）或配置模式（CFGMODEb = 低）。

• 正常模式：CP2615作为I2C主设备，可与编解码器和其他外部从设备通信。配置中包含用于初始化和配置编解码器的命令字符串，如编解码器初始化、音频启动和停止、音量设置、静音设置等。
• 配置模式：CP2615模拟I2C闪存EEPROM，所有其他设备功能禁用。在配置模式下，可以使用外部I2C主设备对CP2615的配置进行编程，需要注意写入事务的格式和特殊操作（如擦除配置、锁定配置等）。

4.7 电压调节器和电源

CP2615包含内部电压调节器，可配置为多种工作模式，支持USB总线供电、USB自供电和USB 5 V自供电等连接方式。在不同的供电模式下，需要注意电路的连接和保护，如添加ESD保护二极管、考虑外部上拉电阻和电阻分压器等。

五、引脚定义

CP2615的QFN32封装共有32个引脚，每个引脚都有特定的功能，如I2S接口引脚（I2S_SDIN、I2S_SCLK、I2S_MCLK、I2S_LRCLK、I2S_SDOUT）、USB接口引脚（D +、D -）、电源引脚（VDD、REGIN、VBUS）、复位引脚（RSTb）、GPIO引脚等。在设计电路时，需要根据引脚的功能进行合理的连接和布局。

六、QFN32封装规格

6.1 封装尺寸

QFN32封装具有特定的尺寸参数，如A（高度）、A1（底部高度）、b（引脚宽度）、D（长度）、D2（内部长度）、e（引脚间距）、E（宽度）、E2（内部宽度）、L（引脚长度）等。这些尺寸参数对于PCB设计和封装安装非常重要。

6.2 PCB焊盘图案

推荐的QFN32 PCB焊盘图案具有特定的尺寸和设计要求，如C1、C2、X1、X2、Y1、Y2等尺寸，以及焊盘设计、阻焊层设计、钢网设计和卡片组装等方面的注意事项。遵循这些要求可以确保良好的焊接质量和电气性能。

6.3 封装标记

封装标记包含跟踪或制造代码、组装年份的最后两位、组装的工作周以及表示设备无铅和符合RoHS标准的符号。

七、相关应用笔记

AN1012：CP2615配置实用程序用户指南，描述了自定义CP2615固定功能USB设备所需的步骤。在实际开发中，建议联系Silicon Labs代表获取该应用笔记的最新版本及其附带软件。

综上所述，CP2615是一款功能强大、高度集成的USB音频到I2S数字音频桥，具有广泛的应用前景和灵活的配置选项。电子工程师在设计音频设备时，可以充分利用CP2615的特性，简化开发过程，提高产品性能。你在使用CP2615的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。