FUSB15201：高度集成的双端口USB Type - C与PD控制器

在电子设备的设计中，USB Type - C和Power Delivery（PD）技术的应用越来越广泛。今天，我们要介绍的是安森美（onsemi）推出的一款高度集成的双端口USB Type - C和Power Delivery控制器——FUSB15201，它在汽车和工业电源应用中有着出色的表现。

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一、产品概述

FUSB15201专为汽车和工业电源应用进行了优化，通过优化的硬件外设和完整的开源嵌入式固件，为USB电源提供了完整的解决方案。它能够在紧凑的设计中，通过硬件和固件的协同工作，实现系统总功率预算的最大化。同时，安森美提供的完整开源嵌入式固件解决方案，能够根据各种硬件外设和系统级USB - PD标识符的输入，在总功率预算范围内实现各端口之间的最优功率共享。系统设计人员可以通过简单易用的API对嵌入式固件进行定制，以满足最终应用的特定需求。此外，FUSB15201还提供了完全符合USB PD3.1标准的解决方案，能够与市场上领先的移动和计算设备实现互操作性。

二、关键特性

2.1 小尺寸双端口USB PD控制器

支持最流行的外设，具备USB PD 3.1和USB Type - C 2.1标准，集成I2C主/从接口，支持双USB BC1.2提供商仿真。

2.2 可编程和可升级的开源固件

提供API，方便客户进行特定设备策略管理器的开发。

2.3 高电压保护

在CC和D +/ - 引脚提供高电压保护，支持通过USB - C进行固件升级。

2.4 高精度监测

配备10位ADC，能够准确监测VBUS、外部温度和电压，通过NTC电阻实现外部温度监测。

2.5 封装与认证

采用24引脚QFNW封装（4 mm x 4 mm，0.5 mm间距），符合Grade 2 AEC - Q100标准，为无铅器件。

三、典型应用

FUSB15201适用于多种应用场景，如汽车电源插座和壁式充电器等。

四、产品特性详解

4.1 处理器与内存

集成了Arm Cortex - M0 +处理器，具有灵活的时钟频率，最高可达24 MHz。拥有132 kB的闪存用于存储程序代码，6 kB的SRAM程序内存。该处理器采用Thumb指令集，优化了高性能、低代码大小和低功耗操作，能够高效处理多个并行外设，并具备集成睡眠模式。同时，通过Arm Serial Wire Debug Port增强了测试和调试能力。

4.2 USB Type - C和PD功能

• 集成USB PD PHY和Type - C终端/比较器：支持最新的USB - IF规范。
• 集成VCONN开关：能够提供完整的1.5 W功率，用于查询电缆eMarkers和为有源电缆供电。
• BC1.2支持：完全可编程的USB BC1.2接口，能够呈现为CDP、DCP或SDP。
• 高电压保护：具备强大的USB - C连接器接口，VBUS和CC可耐受28 V DC，FUSB15201的D +/ - 为20 V DC，FUSB15201D的D +/ - 为28 V DC。
• ADC监测：多通道10位ADC，用于准确监测VBUS、外部温度和电压。
• I2C通信：串行通信端口，可作为主机或设备，允许FUSB15201控制外部系统外设。
• GPIOs：完全可编程的I/O，具有内部终端，可配置为输入或输出（CMOS或开漏）。
• 可编程VBUS放电：内部可编程电阻，能够放电高达100 F。
• 多定时器：四个独立的32位定时器，包括2个通用定时器、1个看门狗定时器和1个唤醒/通用定时器。
• 外部NTC监测：集成电流源，与ADC配合使用，监测各种NTC电阻。
• 低功耗操作模式：可编程睡眠模式，允许设备根据需要最小化功耗，具备自动USB - C检测和从睡眠模式唤醒的功能。
• 汽车级应用：具备Grade 2温度范围性能，符合AECQ - 100标准，采用0.5 mm间距和可焊侧翼的QFN封装。

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

在使用过程中，需要注意各引脚的绝对最大额定值，如VBUS、HVCC1、HVCC2、HVDP、HVDM等引脚的电压范围，以及温度范围和ESD保护等。超过这些额定值可能会损坏设备，影响其功能和可靠性。

5.2 推荐操作条件

包括电源电压范围、VBUS电压、I/O电源电压、通信通道引脚电压、HVDM和HVDP引脚电压、GPIO和I2C等引脚的电压，以及工作环境温度等。在推荐的操作条件下使用，能够确保设备的正常运行。

5.3 电气特性参数

涵盖了USB PD PHY发射器和接收器的各项参数，如单位间隔、比特率差异、驱动停止时间、帧间间隔、上升和下降时间、电压摆幅、输出阻抗等；Type - C前端的各项参数，如VBUS泄漏阻抗、CC电流、设备下拉电阻等；以及电流消耗、时钟、内部温度保护、外部温度测量、BC1.2检测、串行线调试接口、复位、GPIO、I2C等方面的参数。这些参数为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

六、内部架构与功能模块

6.1 电源管理单元（PMU）

为FUSB15201中的所有模块提供适当的电源，防止系统在VDD电压低于可靠运行所需的最低电压时出现欠压情况。固件会监测电源供应，并在需要时安全关闭系统。

6.2 复位源

包括内部上电复位（VDD_POR）、软件复位、看门狗定时器复位和外部引脚复位。不同的复位源在不同的情况下发挥作用，确保设备的稳定运行。

6.3 电源和睡眠行为

通过利用外设中断和硬件自主性，优化了电源管理，可通过固件配置进入低功耗状态，禁用不需要的外设，并根据不同的应用需求调整时钟频率。Type - C模块设计为在最低功耗状态下工作，当检测到Type - C设备连接时会自动唤醒，从而在无设备连接时最小化总功耗。

6.4 时钟源

采用双振荡器架构，一个24 MHz的内部RC振荡器用于实现全功能，一个120 kHz的内部RC振荡器用于超低功耗睡眠模式。

6.5 定时器

• 32位通用定时器（TIM0/1）：两个32位递减计数器，当计数器达到0时生成中断和状态，其定时分辨率取决于可编程时钟源和预分频比。
• 32位唤醒定时器（WUT）：主要用于实现从低功耗模式的定时退出，也可用于通用事件定时。
• 32位看门狗定时器（WDT）：在软件出现故障时对系统进行复位，提供从软件崩溃中恢复的方法。默认情况下禁用，必须通过软件启用，并通过锁机制保护，防止恶意软件禁用其功能。

6.6 串行线调试接口（SWD）

Arm M0 +实现包括一个调试访问端口（DAP），调试模式包括4个硬件断点和2个硬件观察点。通过Arm Serial Wire Debug Port（SW - DAP）连接到引脚SWCLK和SWDIO，使用单双向数据连接，每个操作包括数据包请求、确认响应和数据传输阶段，可使用任何符合Serial Wire Debug（SWD）标准的硬件调试器接口与FUSB15201的内部进行交互。

6.7 USB Type - C和PD外设

• 模拟前端和数字状态机：固件实现高层协议和策略层，模拟和数字组件执行低层PD协议和PHY层功能。
• VCONN开关：能够根据VDD电平提供1.5 W或更多的功率，以满足某些应用的额外功能需求。
• USB PD PHY状态机逻辑：包括序列化和反序列化、时钟和数据恢复（CDR）、4B5B编码、BMC编码、数据包CRC生成和检查、功率传输K - 代码的编码和检测、自动GoodCRC数据包响应等功能。
• VBUS放电：能够通过可选的下拉电阻对VBUS进行放电，在选择放电电阻时需要考虑VBUS上的电容负载，以避免违反USB PD规范中的VsrcSlewNeg（30 mV/s）。

6.8 内部保护

• VCONN过流保护：每个端口的VCONN开关提供过流检测和保护，可根据Type - C方向启用，并可根据应用需求进行软件配置。
• CC、DP、DM过压保护：保护连接器引脚免受高电压损坏，可通过中断通知软件发生过压事件并采取相应措施。
• 内部过温保护：始终开启，当内部温度过高（T > Tshut）时，会禁用两个端口的VCONN开关和VBUS放电电路。
• 连接器湿度检测：提供检测连接器中是否存在水分或其他污染物的方法，可根据需要开启或关闭，以避免与电缆连接检测冲突。

6.9 端口控制和GPIOs

FUSB15201的许多引脚可配置为标准GPIO或用于特定外设（如I2C），部分引脚还可作为ADC的输入。内部上拉/下拉电阻可编程，上拉电阻始终连接到VDDIO。当端口配置为GPIOs时，具备双向能力、推挽或开漏配置、可单独配置的中断线、上升或下降沿中断以及高或低电平中断等功能。

6.10 外部温度测量

有两个引脚可配置为监测外部NTC电阻，建议使用并联电阻以提高测量线性度。这些NTC测量可用于通过FUSB15201提供的PD状态消息向Sink设备报告Source温度，还可用于过热保护和动态功率能力降低等。固件实现使NTC选择更加灵活，上拉电流源INTCA和INTCB为外部NTC电阻网络提供偏置，可根据需要关闭。

6.11 BC1.2支持

能够模拟和检测BC1.2和Divider Mode，支持SDP、CDP、DCP和2.4 A Divider Mode（仅提供商）等模式。模拟电路可根据应用需求进行固件配置，并遵循最终的BC1.2规范。

6.12 I2C接口

串行接口与标准、快速和快速模式Plus I2C总线规范兼容，I2C外设可配置为主机或设备模式。在数据传输过程中，SDA在SCL为高电平时必须稳定，仅在SCL为低电平时可转换，数据在SCL的上升沿时钟输入。每个总线事务以SDA和SCL为高电平开始和结束，包括起始条件、重复起始条件和停止条件。

6.13 ADC

内部10位ADC允许测量和转换多达12个信号，通常包括两个VBUS电压、两个NTC温度通道、两个D +/D - BC1.2以及可选的两个CC1/2端口。不同的ADC通道具有不同的分辨率、范围和满量程电压，为工程师提供了灵活的测量选择。

七、开发工具与参考规范

FUSB15201得到了一套全面的开发工具的支持，包括易于使用的开发板和软件开发套件（SDK），其中SDK包含USB PD协议栈、共享容量算法、示例代码、库和文档等。同时，该产品的设计参考了多个规范，如Universal Serial Bus Power Delivery specification revision 3.1 Version 1.3、Universal Serial Bus Type C Cable and Connection Specification release 2.1、USB Battery Charging Specification revision 1.2和I2C - bus specification Rev. 6等。

总的来说，FUSB15201是一款功能强大、高度集成的双端口USB Type - C和Power Delivery控制器，为汽车和工业电源应用提供了可靠的解决方案。电子工程师在设计相关产品时，可以充分利用其丰富的特性和功能，提高设计的效率和质量。大家在使用过程中有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。