计算机、外围设备、电话、时钟、风扇、控制设备等 — USB 正在越来越多的应用中用于供电和连接。然而，随着其中一些应用的复杂性不断增加，有时集成 USB 功能可能会很困难。阅读本文并了解如何将 Infineon EZ-PD™ PMG1 MCU 系列用于 USB 供电 (PD) 双角色电源 (DRP) 应用。
EZ-PD™ PMG1 介绍
Infineon 的 EZ-PD™ PMG1（第一代 PD 微控制器）属于高压 USB-C PD MCU 系列。这些芯片包括 Arm® Cortex®-M0/M0+ CPU 和 USB-C PD 控制器以及模拟和数字外设。EZ-PD™ PMG1 针对任何向高压 USB-C PD 端口供电或耗电的嵌入式系统，并利用 MCU 来提供额外的控制功能。PMG1 MCU 系列完全符合 USB PD 和 Type-C 标准。表 1 比较了 EZ-PD™ PMG1 系列中不同 MCU 的功能。
表 1：不同 EZ-PD™ PMG1 系列 MCU 的功能比较
| 子系统或范围 | 项目 | PMG1-S0* | PMG1-S1 | PMG1-S2 | PMG1-S3 |
|---|---|---|---|---|---|
| CPU 和内存子系统 | 核心 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0 | Arm® Cortex®-M0+ |
| 最大频率 (MHz) | 48 | 48 | 48 | 48 | |
| 闪存 (KB) | 64 | 128 | 128 | 256 | |
| SRAM (KB) | 8 | 12 | 8 | 32 | |
| 供电 | PD 端口 | 1 | 1 | 1 | 1 个端口用于 48-QFN 2 个端口用于 97-BGA |
| 角色 | 接收器 | DRP | DRP | DRP | |
| MOSFET 栅极驱动器 | 1× PFET | 2× PFET | 2× NFET | 灵活 2× NFET | |
| 故障保护 | VBUS OVP 和 UVP | VBUS OVP、UVP 和 OCP SCP 和 RCP（仅用于源配置） |
VBUS OVP、UVP 和 OCP | VBUS OVP、UVP 和 OCP SCP 和 RCP（仅用于源配置） |
|
| USB | 集成全速 USB 2.0 设备，支持公告板类别 | 否 | 否 | 是 | 是 |
| 电压范围 | 供电 (V) | VDDD（2.7 至 5.5） VBUS（4 至 21.5） |
VSYS（2.75 至 5.5） VBUS（4 至 21.5） |
VSYS（2.7 至 5.5） VBUS（4 至 21.5） |
VSYS（2.8 至 5.5） VBUS（4 至 28） |
| 输入/输出 (V) | 1.71 至 5.5 | 1.71 至 5.5 | 1.71 至 5.5 | 1.71 至 5.5 | |
| SCB（可配置为 I2C/UART/SPI） | 2 | 4 | 4 | 7 个用于 48-QFN（其中 5 个可配置为 SPI 和 UART） 8 个用于 97-BGA |
|
| TCPWM 模块（可配置为计时器、计数器或脉冲宽度调制器） | 4 | 2 | 4 | 7 个用于 48-QFN 8 个用于 97-BGA |
|
| 硬件认证模块（加密） | 否 | 否 | 是 (AES-128/192/256, SHA1, SHA2-224, SHA2-256, PRNG, CRC) | 是（AES-128、SHA2-256、TRNG、矢量单元） | |
| 模拟 | ADC | 2 个 8 位 SAR | 1 个 8 位 SAR | 2 个 8 位 SAR | 2 个 8 位 SAR 1 个 12 位 SAR |
| 片上温度传感器 | 是 | 是 | 是 | 是 | |
| 直接内存访问 (DMA) | DMA | 否 | 否 | 否 | 是 |
| GPIO | 最大输入/输出数量 | 12 (10+2 OVT) | 17 (15+2 OVT) | 20 (18+2 OVT) | 26 (24+2 OVT) 用于 48-QFN 50 (48 + 2 OVT) 用于 97-BGA |
| 充电标准 | 充电源 | - | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | BC 1.2、AC、AFC 和快充 3.0 |
| 充电接收器 | BC 1.2，Apple 充电 (AC) | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | BC 1.2, AC | |
| ESD 保护 | ESD 保护 | 是（最大 ±8 kV 接触 放电，最大 ±15 kV 空气 放电， 人体 模型和 充电器件 模型） | 是（人 体模型 和充电 器件模型） | 是（最大 ±8 kV 接触 放电，最大 ±15 kV 空气 放电， 人体 模型和 充电器件 模型） | 是（人体 模型和 充电器件 模型） |
| 封装 | 封装选项 | 24-QFN (4 × 4 mm, 0.5 mm 间距） | 40-QFN (6 × 6 mm, 0.5 mm 间距） 42-CSP (2.63 × 3.18 mm, 0.4 mm 间距） | 40-QFN (6 × 6 mm, 0.5 mm 间距） | 48-QFN (6 × 6 mm, 0.5 mm 间距） 97-BGA (6 × 6 mm, 0.5 mm 和 0.65 mm 间距） |
*PMG1-S0 是 USB PD 仅接收器器件，因此不支持 DRP 应用。
USB PD 规范
本节回顾 USB PD 的基础知识。USB PD 规范定义了支持 PD 的 USB Type-C 端口如何通过与 USB PD 兼容电源协商从 VBUS 获取所需的电源。
供电的 USB-C 端口称为“源”，耗电的 USB-C 端口称为“接收器”。每个 PD 连接中只有 1 个源端口和 1 个接收器端口。在传统 USB 规范中，主机（例如笔记本电脑或 PC）上的 USB 端口始终是源，而 USB 外围设备始终是接收器。USB PD 规范允许源和接收器互换角色，以便 USB 外围设备（例如外部自供电硬盘、扩展坞或显示器）可以为 USB 主机供电。这些新的电源角色独立于 USB 主机和 USB 设备之间的 USB 数据传输角色。一个例子是自供电 USB 外设，例如可以为笔记本电脑或 PC 的电池充电的显示器，它是 USB 主机。
DRP 端口的 Type-C 和 USB PD 架构
系统策略管理器：PD 规范定义了在作为操作系统堆栈运行的 USB 主机上实现的系统策略管理器。有关更多详细信息，请参阅 USB PD 规范。
设备策略管理器：设备策略管理器是在供电者或用电者运行的模块，它通过策略引擎将本地策略应用于设备的每个端口。
源端口：源端口为供电者端口，通过 VBUS 供电。默认情况下，它是主机或集线器上的 USB 端口。
接收器端口：接收器端口是 USB 用电者端口，通过 VBUS 耗电。默认情况下，它是设备上的 USB 端口。
策略引擎：策略引擎解读设备策略管理器的输入以实现端口的策略。它还指示协议层发送消息。
协议：协议层创建端口伙伴之间用于通信的消息。
物理层：物理层通过 VBUS 或端口对之间的配置通道 (CC) 发送和接收消息。
电源供应器：PD 端口通过 VBUS 供电的能力。这是指在 CC 上设置 Rp 时的 Type-C 端口 。
电源接收器：PD 端口从 VBUS 接收供电的能力。这是指在 CC 上设置 Rd 时的 Type-C 端口。
电缆检测模块：电缆检测模块检测是否存在连接到 Type-C 端口的电子标记电缆组件 (EMCA) 电缆。
双角色设备可以通过将供电和耗电元件结合在单个器件中来开发。
当 USB 主机和 USB 设备互连时，它们形成 USB 链路对，并且每个链路伙伴都有一个 CC 控制器。消息然后在每个 PD 控制器内的设备策略管理器之间进行逻辑交换。这些消息通过 CC 进行物理传输，并在链路对之间建立 PD 合约，然后通过 VBUS 供电。CC 是 Type-C 信号定义中的一个新信号对（有关更多详细信息，请参阅 Type C 信号定义部分）。
Type-C 信号定义
图 2 显示的是 USB Type-C 插座、插头和翻转插头信号。USB Type-C 插座有 USB 3.1（TX 和 RX 对）和 USB 2.0（Dp 和 Dn）数据总线、USB 电源 (VBUS、接地 (GND)、CC 信号（CC1 和 CC2）以及两个边带使用 (SBU) 信号引脚。
如表 2 和表 3 所列，除 CC 和 VCONN 信号外，USB Type-C 插头和插座信号的描述相同。此布局中的两组 USB 2.0 和 USB 3.1 信号位置有助于独立于插座中的插头方向映射 USB 信号。
表 2：USB Type-C 插座信号
| 信号组 | 信号 | 说明 |
|---|---|---|
| USB 3.1 | TX1p, TX1n, RX1p, RX1n, TX2p, TX2n, RX2p, RX2n |
SuperSpeed USB 串行数据接口定义了 差分发送对和差分接收对。在 USB Type-C 插座上，两对 SuperSpeed USB 信号 引脚被定义为启用插头翻转功能。 |
| USB 2.0 | Dp1, Dn1 Dp2, Dn2 |
USB 2.0 串行数据接口定义了差分对。 在 USB Type-C 插座上，两组 USB 2.0 信号引脚 被定义为启用插头翻转。 |
| 配置通道 | CC1, CC2 | 插座中的 CC 检测信号方向和 通道配置。 |
| 辅助信号 | SBU1, SBU2 | 边带使用。请参阅 USB Type-C 电缆和连接器 规范修订版 2.1 了解更多详细信息。 |
| 电源 | VBUS | USB 电缆总线电源。 |
| GND | USB 电缆返回电流路径。 |
表 3：USB Type-C 插头信号
| 信号组 | 信号 | 说明 |
|---|---|---|
| USB 3.1 | TX1p, TX1n RX1p, RX1n TX2p, TX2n RX2p, RX2n |
SuperSpeed USB 串行数据接口定义了 差分发送对和差分接收对。在 USB Type-C 插头上，两对 SuperSpeed USB 信号引脚 被定义为启用插头翻转功能。 |
| USB 2.0 | Dp, Dn | 在 USB Type-C 插头上，USB 2.0 串行数据接口 定义差分对。 |
| 配置通道 | CC | 插头中的 CC 用于连接检测和 接口配置。 |
| 辅助信号 | SBU1, SBU2 | 边带使用。请参阅 USB Type-C 电缆和连接器 规范修订版 2.1 了解更多详细信息。 |
| 电源 | VBUS | USB 电缆总线电源。 |
| VCONN | Type-C 电缆插头电源。 | |
| GND | USB 电缆返回电流路径。 |
当带有 Type-C 插头的电缆插入插座时，一个 CC 引脚用于建立信号方向，另一个 CC 引脚将重新用作 VCONN，为 USB Type-C 电缆（插头）中的电子器件供电。
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