网页配置版140W Type-C受电工具（CH32M030版）

友情提示，大功率电源要注意用电安全！！！

 

项目简介

用网页设置电压电流，解锁Type-C受电工具新玩法！

最近想做一套从Type-C取电的电源工具，看了下平台上的开源方案，做可调电源吧，系统复杂难焊，用PD受电芯片吧，挡位少不够灵活。起初也考虑过CH224Q这种受电芯片，虽然支持140W EPR，能用MCU去配电压，但是PD芯片加MCU这种组合过于老套。咱就说，能不能只用一个芯片，要什么电压就给什么电压，研究了一下，还真能！

灵感来自沁恒PD芯片的在线定制平台（pmic.wch.cn），这个网站最神奇的地方在于，可以通过网页给eMarker芯片下载参数。如果照葫芦画瓢把参数设置交给网页，输出电压通过PPS或者AVS协议让Type-C电源适配器去做，那么PCB上只要个MCU就够了。选了沁恒的CH32M030，首先我个人因为工作原因对这颗芯片比较熟悉，其次团队的几个朋友也都多多少少接触过这个芯片。目前做的这一版，输出电压5V~28V，最大功率暂定140W。当然，网页工具也一并提供。

 

主要特性

协议支持	支持FIX、PPS、EPR、AVS，请求顺序可调 目标电压电流可设置，支持5V~28V，最高支持140W（28V@5A）！
参数配置	用网页配置参数，电源工具新体验！ 提供离线网页，模块插电脑，多种参数随心配 配置掉电保存，下次上电直接使用
保护功能	过压保护！过流保护！过温保护！(妈妈再也不用担心炸板子了)
二次开发	提供一个.a库文件，PD协议通信轻松搞定 还可以自行增删功能（RGB灯效，串口、I2C接口功能拓展等）
下一步计划	支持公口模式（实施中） M030的灌电流模块可以调节两路外部DCDC 下一步打算结合这个功能升级成数控电源，还在规划中。

 

为什么选CH32M030？因为它是天选电源MCU！

支持USB PD是基本条件，此外有四个功能精确命中方案需求：

自带高压LDO，工作电源直接从VBUS上取，很方便。

自带电荷泵，高压I/O可以输出VBUS+8V，驱动电源路径上的NMOS很easy。

支持USB通信，通过WinUSB方式可以方便地使用网页等工具配置参数。

差分电流采样，M030内置的运放可以组成高增益的差分输入电流采样电路（而且只要一行代码），提供比单端采样更准的电流监测功能。

 

工作原理

基于CH32M030的单芯片方案。Type-C口既做电源输入，也做参数配置的下载口。MCU电源直连Type-C接口VBUS，上电后通过PD协商目标电压，然后经NMOS输出。提供过流、过压、过温保护功能，带RGB灯效。

1.芯片的工作电源

CH32M030内部的高压LDO支持5~28V电源。本设计中，Type-C接口最高输出140W（28V@5A）,VBUS电压正好落在高压LDO工作范围中，因此芯片直接从VBUS上取电，无需外部高压LDO。

2.VBUS电源路径的通断控制

现在电源通断好像都喜欢用NMOS，一是内阻低发热小，二是成本也比PMOS便宜。这里用一对NMOS背靠背，可以防止VBUS掉电情况下模块输出端向Type-C接口倒灌电流。本设计采用电源直出形式，模块输出电压与Type-C接口输入电压一致，NMOS的导通需要给栅极施加至少VBUS+Vgs(th)的开启电压。高于VBUS的电压怎么来？这就要用到芯片内部的电荷泵了。

①电荷泵升压工作原理

M030的二级电荷泵只需要三个电容即可输出VBUS+8V，可为电源路径上NMOS的开启提供足够的高压。电荷泵的工作原理非常简单，先将电容C1充电至VBUS，之后电容C1叠加PB14的高电平，将C2充至VBUS+4V；然后C2再叠加PB12的高电平，将C3充到VBUS+8V。整个过程持续交替进行，从而保证HVCP带载情况下也能输出稳定高压。

电荷泵的三个引脚由CH32M030定时器2的两对互补通道驱动。工作时，PC5、PB14输出互补波形、PB14与PB12输出互补波形。通道2中插入死区，可以防止C1向VBUS倒灌。

电荷泵引脚	对应定时器通道
PC5	定时器2-通道2
PB12	定时器2-通道1的互补通道
PB14	定时器2-通道2的互补通道

②电源路径上NMOS的通断控制

有了HVCP引脚上的VBUS+8V，就可以通过MCU的I/O控制电源路径上的NMOS。这里使用PB15，这个引脚只能开漏输出。

PB15内部可选120k欧的电阻再到地，这是为了防止VBUS+8V与DCDC后的DC Out压差过大导致MOS栅源击穿用的。本方案没有使用DCDC，VBUS+8V与DC Out压差总是8V，因此内部的120k没有用到。另加的2M电阻用于防止MOS漏源在较高温度下微弱漏电造成栅源击穿。

3.差分电流放大电路

对于大功率的电源类应用，GND平面的电流路径上会产生压差。如果对电流使用单端采样，这种压差会影响采样准确性。使用差分采样可以很好地解决这个问题。

CH32M030内部的运放可以很方便地配成高增益的差分输入，本方案将采样电阻上的电压放大50倍后加偏置送给ADC进行采样。

4.PD通信和网页参数配置

①担心PD协议太复杂？没关系，有现成的库！

因为M030的EVT自带PD例程，项目起步就比较方便。先参考例程跑通PD通信，再照着PD官方文档把对应的逻辑堆出来就行。这部分比较枯燥，代码写了好几天。考虑到许多朋友对PD协议可能不太熟，我把PD的底层代码封成了libPD_SNK.a库给大家，直接调用API，这样做二次开发的朋友上手会比较容易。

②基于网页的参数更新机制

Google的Chrome等许多浏览器都支持用网页访问本地USB设备的Web API。本作品通过网页更新受电工具参数就依赖这套API。网页和受电工具的通信基于WinUSB。所谓WinUSB，是微软为USB设备与主机通信提供的简单解决方案。WinUSB无需安装驱动，操作系统会自动识别并加载内置的WinUSB驱动，同时提供数据收发的上层接口。通过浏览器的Web API，可以扫描并连接受电工具，将网页上配置好的参数通过USB写进受电工具中。

 

使用方法

受电工具连接Type-C电源适配器后，会根据当前设置，自动协商目标电压。

协商完成后，工具的输出端会开启，对外提供电源。

这里主要介绍网页配置工具的界面功能，网页工具对应压缩包CfgWeb/PD WEBUSB/index.html文件。

各配置项功能如下：

配置项	功能描述
请求顺序配置	拖动左侧栏可以修改FIX/PPS/EPR/AVS请求顺序，未勾选的请求方式不会被执行
模式配置	请求模式	精准匹配：只协商设定的电压，FIX/PPS/EPR/AVS按配置顺序依次尝试，如果协商不上，可能只会输出5V或者没有输出；
		向下兼容：如果目标电压协商不上，会请求小于目标电压的档位。
	Gate模式	预留，暂时还没做。
电压配置	目标电压	可配5V~28V。
	下偏差电压/上偏差电压	应对一些奇奇怪怪的充电头。比如我之前碰到最高电压19.6V的，把下偏差电压写成1V就好，这样请求范围就成了19V~20V，上偏差电压同理。
电流配置	目标电流	可配0.1~10A(当电源适配器电流输出能力不足时，按支持的最大电流请求。例如设置了5A，但适配器只有3A，会请求3A)。
	最小电流	针对后端设备功率小于特定值会异常的情况，通过这个参数可以跳过一些档位（比如适配器只有20V@1A，最小电流设置成2A，则不会匹配此档位）。
过保配置	过压保护	设置电压阈值，过压时自动关闭MOS并闪灯（红色）
	过流保护	设置电流阈值，过流时自动关闭MOS并闪灯（黄色）
	过温保护	设置温度阈值，过温时自动关闭MOS并闪灯（蓝色）

 

关于代码结构

如果只是做着玩，直接编译工程烧录固件就可以了。

CH32M030不支持ISP下载，下载程序要用WCH-LinkE，也不贵。

对于有志二次开发的朋友，这里简要介绍一下工程结构。

几个比较重要的文件和文件夹：

User文件夹

|----HVCP文件夹----NMOS升压和驱动相关

|----USBFS文件夹——USB设备枚举

|----USBPD文件夹——PD驱动库

|----PD_User.c——PD回调函数

PD_User.c提供初始的默认配置和PD通信节点的回调函数，此外还包含一个不精确的1ms延时，可以加入灯效或者按键扫描等内容。这个1ms延时不能添加Delay或者其他耗时长的操作。这个文件中，电压、电流、温度的单位分别为mV、mA和℃，例如：

.VoltTarget = 20000代表20V

.CurrentTarget = 4500代表4.5A

.OTPNum = 70代表70℃

另外，CH32M030K9U7的信息在DS2手册里，芯片用的时候要结合DS0/RM一起看。

 

其他

最后点名表扬一下MRS2。怎么说呢，Keil确实功能强大，但是吧，《不太好用》《我还以为二战时期的软件》《那你和我的MRS2说去吧》《我们都在用力的活着》。MRS2你就用吧，香就完事了。

再啰嗦一句，注意用电安全!!!

这个方案涉及高压大功率，尝试之前一定要做好功课，安全第一！

方案分享给大家学习研究Type-C受电技术，做产品的话还是建议选用CH224Q/CH224A这类专用芯片。