搓一个 USB PD 协议与 DC-DC 反馈

电流检测

项目中设计了三种电流检测方案，分别是 - INA226 进行高侧或低侧采样，通过 I2C 进行通信 - INA193 进行高侧或低侧采样和放大，通过模拟信号供 ADC 使用 - INA138 进行高侧采样，通过模拟信号供 ADC 或 SW2303 使用

INA193 进行高侧或低侧采样

INA19x 芯片支持高侧或低侧采样，其中 INA193 的增益是 20 V/V。 这里选用了一路 INA193 进行验证，一是因为我用过 INA193，想进一步验证下 INA193 的性能和校准方案；二是我想看看 INA19x 这类电流检测放大器在高侧和低侧测量输出的差别。

INA138 进行高侧采样方案

这个方案主要用于验证使用 INA138 将高侧采样的差模信号转为相当于低侧采样取得的差模信号，以便 SW2303 能够使用。

从上面的数据手册给出的典型应用可以看出，INA138 支持配置输出增益。我准备设计两个增益： - 1 V/V，供 SW2303 使用 - 20 V/V，供 MCU ADC 使用

通过 20V/V 的增益，可以对比一下 INA138 与 INA193 在高侧采样时的差异。

在输出端，实现了一个低通滤波器。使用计算公式 $f_{-3dB} = \frac{1}{2 \pi R_L C_L}$ 来计算所需的电容值，并选择最接近的标准电容值。

1. 5k 电阻, 1 V/V 增益

   • $R_L = 5 \text{k}\Omega$
   • $f_{-3dB} = 10 \text{kHz} = 10000 \text{Hz}$
   $$C_L = \frac{1}{2 \pi \times 10000 \times 5000}$$ $$C_L \approx 3.18 \text{nF}$$

2. 100k 电阻, 20 V/V 增益

   • $R_L = 100 \text{k}\Omega$
   • $f_{-3dB} = 10 \text{kHz} = 10000 \text{Hz}$
   $$C_L = \frac{1}{2 \pi \times 10000 \times 100000}$$ $$C_L \approx 0.159 \text{nF}$$

结果如下：

使用运放实现恒压恒流反馈

我选用的 DC-DC 控制器芯片，通过 FB 引脚来闭环控制输出电压。在一般的定压输出的情况下，通过电阻分压网络对 $V_{OUT}$ 进行分压，使 FB 电压 $V_{FB}$ 与 $V_{OUT}$ 成比例。DC-DC 控制器芯片根据实际的 FB 电压调整输出电压，使 得 $V_{FB}$ 与其内部的参考电压相等，从而实现恒压输出。

而 USB PD 协议需要支持多电压输出，并且需要带有过流保护，我查阅了一些开源项目，感觉有点不理解，最后准备实现下面这种限流方案：

这个方案实现了类似“与”的逻辑，FB 网络是通过电压信号控制 DC-DC 控制器的输出电压。 未触发限流保护的情况下，由上面 N 沟道场效应管进行恒压，恒流反馈会因为电流未到达限流值而使下面的 N 沟道场效应管在力所能及的范围内尽可能地导通。 一旦负载电流达到限流值，下面的场效应管会开始在线性区域内导通，这个时候 DC-DC 控制器的输出电压会下降，这样就实现了限流的功能。 与此同时，由于 DC-DC 控制器输出电压下降，上面的场效应管会开始尽可能导通，以期望得到更高的输出电压。 通过串联这两个“阀门”，使这俩个场效应管的组合阻值永远不低于最小的那个，从而实现恒压恒流模式。

下面的场效应管给电流控制环路，主要是考虑未触发限流的情况下, 下面的场效应管产生的阻值相对来说是低且稳定的，能让上方的 N 沟道场效应管的源极（S）电位尽可能固定在 0 附近，减少引入的干扰。如果反过来，我就猜不出会不会出现什么曲折的跳动了，这个问题已经进入我的知识盲区了。 同理，回到现在的方案，如果触发过流保护，这时我就不知道会发生什么了，但是大概最后应该是会稳定在上管线性，下管饱和。或许中间过程曲折，但是保护状态我就不挑三拣四了。

这个方案是我想出来的，看起来和下图的有点像，希望能成功吧。

使用 STM32G4 实现恒压恒流反馈

恒压模式使用到 STM32G4 内部的 DAC3 和 OPAMP1； 恒流模式使用到 STM32G4 内部的 DAC3 和 OPAMP3。 其中，运放实现的功能是反相放大器。STM32G4 的片上运放是轨到轨输入和输出的。 使用 DAC 输出参考电压送入运放的同相输入端，电压和电流信号分别送到两个运放的同相输入端，实现增大 DAC 输出就增大电压或电流。

上图是 STM32G4 运算放大器的原理图，参考上图并结合我们的用例，将同相输入端连接到 DACx 的输出端，将 VINM0 连接到分压的输出电压或分流的电压，就是我们需要的结果。

至于这个外部电容的容值要用多少的，目前我不知道，所以先留个焊盘空着，后续再做调整。

USB PD

VBUS 泄放电路

USB Type-C 规范要求源端口在接收端口断开后的 650ms 内对 VBUS 进行放电到 5V 以内。所以需要一个泄放电路。

下面是 LLM 计算的结果：

1. 计算电容放电所需的电阻值

电容放电的公式为：

$$V(t) = V_0 \times e^{-\frac{t}{RC}}$$

其中：

• $V(t)$ 是时间 $t$ 时的电压
• $V_0$ 是初始电压
• $R$ 是电阻
• $C$ 是电容
• $t$ 是时间

我们知道：

• $V_0 = 20 \, \text{V}$
• $V(t) = 5 \, \text{V}$
• $C = 1000 \, \mu\text{F} = 1000 \times 10^{-6} \, \text{F}$
• $t = 650 \, \text{ms} = 0.65 \, \text{s}$

将这些数值代入公式：

$$5 = 20 \times e^{-\frac{0.65}{R \times 1000 \times 10^{-6}}}$$

简化得到：

$$\frac{1}{4} = e^{-\frac{0.65}{R \times 0.001}}$$

取自然对数：

$$\ln\left(\frac{1}{4}\right) = -\frac{0.65}{R \times 0.001}$$ $$-\ln(4) = -\frac{0.65}{R \times 0.001}$$

解出 $R$：

$$R = \frac{0.65}{\ln(4) \times 0.001} \approx \frac{0.65}{1.386 \times 0.001} \approx 469 \, \text{ohms}$$

2. 计算峰值电流

峰值电流 $I_{\text{peak}}$ 在放电开始时最大，即 $t = 0$ 时：

$$I_{\text{peak}} = \frac{V_0}{R} = \frac{20}{469} \approx 0.043 \, \text{A} = 43 \, \text{mA}$$

3. 验证电阻值与放电时间

使用0402电阻封装时，通常电阻的功率为0.063W (63mW)，需要确保在放电过程中功率不超出此范围。

在放电过程中，瞬时功率可以计算为：

$$P(t) = I(t)^2 \times R$$

在峰值电流时：

$$P_{\text{peak}} = I_{\text{peak}}^2 \times R = (0.043)^2 \times 469 \approx 0.87 \, \text{mW}$$

这在0402封装的功率范围内。

上面使用的公式看起来好像没啥问题，我就不验证了。直接使用 510 的电阻就行了。