任务介绍

题目要求：设计一个能从USB PD充电器诱骗出9V/12V/15V/20V电压的模块

1. 带电压选择开关
2. 输出电流能力2A
3. 具备输出电压指示LED
4. PCB尺寸建议控制在40mm×20mm范围内
5. 主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

请注意：PCB设计工具需用KiCad（官方邮件赠送了课程），或最终提交的文件需是KiCad文件，详见大赛主页阶段1要求和项目提交内容。

模块介绍

根据任务要求本次我选用的是CH224K芯片设计了一款USB PD充电器，本电路模块基于CH224K芯片，设计为USB-C PD（Power Delivery）协议的电源输出模块，适用于需要通过USB-C接口获取多档电压（如5V/9V/12V/15V/20V）供电的场合。模块可通过拨码开关（SW1）配置输出电压，适合开发板、便携设备、测试工装等应用。

主要功能与架构说明：

1. USB-C 电源输入
2. • 通过J1（USB-C母座）接入PD电源适配器，支持多种电压档位。
   • CH224K芯片负责与PD适配器通信，协商所需电压。
2. 电压配置
3. • SW1为三位拨码开关，结合R3、R4、R5上拉电阻，分别连接到CH224K的CFG1、CFG2、CFG3引脚，用于设定所需输出电压档位。
   • 用户可根据实际需求切换不同电压输出。
3. 输出端口
4. • J2为螺丝端子，输出协商后的电压（VBUS）和地（GND），方便外部负载接入。
4. 状态指示
5. • D1为电源指示LED，通过R6限流，指示VBUS有电输出。
5. 去耦与保护
6. • C1为VDD去耦电容，提升系统稳定性。
   • R1、R2等电阻用于上拉/限流，保证信号完整性和安全性。

典型应用场景：

• USB-C PD协议电源适配器的多档电压输出测试
• 便携式设备的多电压供电
• 实验室电源模块

CH22K在DigiKey上面找不到，可以在网购平台随便买到，量大还便宜。

219-3MSTR的DigiKey链接： https://www.digikey.cn/zh/products/detail/cts-electrocomponents/219-3MSTR/5224026

TB002-500-02BE的DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/same-sky-formerly-cui-devices/TB002-500-02BE/10064069

原理图和PCB模块介绍

原理图模块介绍

本模块以CH224K为核心，设计为USB-C PD多档电压输出电源板。原理图主要分为以下几个功能单元：

1. USB-C输入接口（J1）
2. • 采用6Pin的USB-C母座，仅用于电源输入。
   • CC1/CC2脚分别连接到CH224K的CC1/CC2引脚，用于PD协议通信和电压协商。
   • VBUS脚直接作为主电源输入，GND脚为地。
2. CH224K PD协议芯片（U2）
3. • 负责与USB-C适配器进行PD通信，协商所需电压。
   • CFG1/CFG2/CFG3引脚通过上拉电阻（R3、R4、R5）和拨码开关（SW1）配置，决定输出电压档位。
   • VBUS输出脚连接到输出端子和指示电路。
3. 拨码开关配置（SW1 + R3~R5）
4. • 三位拨码开关分别控制CFG1~CFG3，用户可灵活选择所需电压。
   • 每个CFG脚通过10K上拉电阻接VDD，拨码开关闭合时拉低对应CFG脚。
4. 输出端子（J2）
5. • 螺丝端子输出协商后的VBUS和GND，方便外部负载接入。
5. 电源指示与保护
6. • D1为电源指示LED，R6为限流电阻，指示VBUS有电输出。
   • C1为VDD去耦电容，提升电源稳定性。
   • R1、R2为上拉/限流电阻，保证信号完整性。

原理图

PCB模块介绍

PCB布局紧凑，注重信号完整性与电源安全，主要分为以下区域：

1. USB-C输入区
2. • J1靠近PCB一侧，便于插拔。
   • CC1/CC2信号线短且直，减少干扰。
2. 核心控制区
3. • CH224K芯片（U2）位于板中央，周围布置去耦电容（C1）和相关上拉电阻，保证供电稳定。
   • CFG配置电路（R3~R5、SW1）紧邻U2，走线简洁，避免信号串扰。
3. 输出与指示区
4. • J2螺丝端子位于另一侧，方便接线。
   • D1 LED及R6限流电阻靠近输出端，便于观察电源状态。
4. 地与电源层处理
5. • GND大面积敷铜，降低阻抗，提升抗干扰能力。
   • VBUS走线宽，保证大电流输出能力。
5. 丝印与标识
6. • 各接口、开关、LED等均有清晰丝印，便于用户识别和操作。

PCB

3D效果图

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

1. 输入接口
2. • USB-C母座，支持PD协议电源适配器输入
2. 输入电压范围
3. • 5V、9V、12V、15V、20V（具体档位由拨码开关配置，取决于PD适配器支持的电压）
3. 最大输出电流
4. • 取决于PD适配器能力和USB-C连接器规格，通常最大可达3A（建议≤3A，具体以适配器和走线能力为准）
4. 输出端口
5. • 螺丝端子输出协商后的VBUS和GND
5. 电压档位选择
6. • 通过三位拨码开关（SW1）配置，支持多种常见PD电压档位
6. 电源指示
7. • 板载LED指示输出电源状态
7. 安全与保护
8. • 具备基本的去耦和限流设计，实际过流/过压保护依赖PD适配器和CH224K内部机制

管脚定义板上设置及标识

主要芯片（CH224K）管脚定义

拨码开关（SW1）与电压档位配置

• SW1为三位拨码开关，分别对应CFG1、CFG2、CFG3。
• 通过不同的开关组合，CH224K可协商不同的PD输出电压。
• 具体电压档位与开关状态对应关系可参考CH224K官方手册，常见配置如下（示例）：

0=开关闭合（拉低），1=开关断开（上拉）

eZ-PLM上新建物料和项目的截图

使用了eZ-PLM系统上传了自己的工程文件，方便保存记录各个版本，也可随时查阅，系统里查阅不到的物料也支持手动添加。

物料添加展示图

项目详情图

心得体会

通过CH224K芯片实现USB-C PD多档电压输出，极大简化了PD协议的实现难度。只需通过简单的拨码开关配置，就能灵活选择所需电压，适应不同负载需求，提升了模块的通用性和实用性。