一、所选主题和项目介绍

本项目选择的主题是电源/协议传输

本项目设计了一款基于 CH224Q 芯片的 USB PD 协议诱骗模块，能够自动识别并诱骗支持 USB PD 协议的充电器输出指定电压（5V/9V/12V/15V/20V），为不支持 PD 协议的设备提供稳定的高压直流电源。

该模块体积小巧、成本低廉、使用方便，通过拨码开关即可快速配置输出电压，无需复杂的软件编程。主要应用场景包括：

• 为嵌入式开发板、单片机系统提供多档电源输入
• 替代传统的线性电源和开关电源进行实验测试
• 为小型电子设备提供定制化的电源解决方案
• 学习和研究 USB PD 协议的工作原理

二、使用到的所有硬件介绍

元器件清单

0437005-WR得捷链接

三、方案框图和项目设计思路介绍

3.1 方案框图

USB Type-C输入 → 保险丝U2 → ESD保护U4 → CH224Q主芯片U1 → 拨码开关配置
                                 ↓
                          电源指示灯PD_LED
                                 ↓
                          VBUS输出端子U3

3.2 设计思路

1. 电源输入路径：PD 充电器通过 Type-C 接口输入 VBUS 电压，经过 5A 保险丝 U2 进行过流保护后，一路直接连接到 CH224Q 的 VHV 引脚作为芯片电源，另一路经过 CH224Q 内部开关管后输出到 VBUS 端子。
2. 协议通信路径：Type-C 接口的 CC1/CC2 引脚通过 5.1kΩ 下拉电阻连接到地，同时连接到 CH224Q 的 CC1/CC2 引脚，用于与 PD 充电器进行协议通信。DM/DP 引脚通过 1MΩ 下拉电阻连接到地，同时连接到 CH224Q 的 DM/DP 引脚，支持 BC1.2 协议。
3. 电压配置路径：通过两个拨码开关 SW1 和 SW2 控制 CH224Q 的 CFG1、CFG2、CFG3 三个配置引脚的电平状态，从而选择不同的输出电压档位。根据 CH224Q 芯片手册，CFG1 下拉、CFG2 和 CFG3 悬空时可诱骗 20V 输出。
4. 保护电路：在 USB 信号线上增加了 USBLC6-4SC6-ES ESD 保护芯片，防止静电损坏主芯片；在电源输入路径上增加了 5A 保险丝，防止输出短路损坏充电器。
5. 状态指示：通过红色 LED 指示灯 PD_LED 显示模块的工作状态，当模块成功诱骗到电压时 LED 点亮。

四、原理图和 PCB 展示及介绍

4.1 原理图展示及介绍

原理图核心部分说明：

• 电源部分：C1 为 1uF 电源滤波电容，连接在 VHV 和 GND 之间，用于滤除电源噪声。R1 为 510Ω 限流电阻，连接在 VBUS 和 VHV 之间。
• PD 通信部分：CC1 和 CC2 引脚分别通过 5.1kΩ 电阻 R2 和 R3 下拉到地，同时连接到 CH224Q 的 7 脚和 6 脚。DM 和 DP 引脚分别通过 1MΩ 电阻 R4 和 R5 下拉到地，同时连接到 CH224Q 的 4 脚和 5 脚。
• 配置部分：CFG1 引脚通过 100kΩ 电阻 R6 下拉到地，同时连接到 SW1 的 4 脚；CFG2 引脚连接到 SW1 的 3 脚；CFG3 引脚连接到 SW2 的 4 脚。通过拨码开关可以将这些引脚连接到地或悬空。
• 指示部分：PD_LED 的阳极通过 1kΩ 电阻 R7 连接到 VHV，阴极连接到 CH224Q 的 10 脚（PG 引脚）。当 PG 引脚输出低电平时，LED 点亮。
• ESD 保护部分：U4 (USBLC6-4SC6-ES) 的 IO1-IO4 分别连接到 CC1、CC2、DM、DP 信号线上，Vcc 连接到 V_BUS，GND 连接到地。

4.2 PCB 展示及介绍

PCB 设计说明：

• 板层结构：2 层板设计，顶层为信号层和电源层，底层为完整的地平面。
• 尺寸规格：PCB 尺寸约为 60mm×15mm，采用长条型设计，便于安装在各种设备内部。
• 布局特点：
• • 输入接口 USB1 和输出接口 U3 分别位于 PCB 的两端，形成清晰的电源流向
  • 主芯片 U1 位于 PCB 中央，靠近 Type-C 接口，缩短了 PD 信号路径
  • ESD 保护芯片 U4 紧邻 Type-C 接口放置，最大限度地发挥静电保护作用
  • 拨码开关 SW1 和 SW2 位于 PCB 右侧，方便用户操作
  • 所有 0603 封装的阻容元件均采用贴片式设计，减小了 PCB 面积
• 布线特点：
• • VBUS 电源线采用 20mil 宽的走线，满足大电流传输要求
  • CC1、CC2、DM、DP 信号线采用差分走线，长度匹配，保证信号完整性
  • 底层为完整的地平面，提供良好的电磁屏蔽和散热效果
  • 所有元器件的焊盘均采用标准尺寸，便于手工焊接和机器贴装

五、硬件功能展示图及说明

PCB光板

焊接好的PCB

PD成功诱骗5V电压

六、设计中遇到的难题和解决方法

6.1 CH224Q 芯片引脚定义理解问题

问题描述：CH224Q 芯片的引脚功能较多，特别是 CFG 配置引脚的电平组合与输出电压的对应关系比较复杂，容易混淆。

解决方法：仔细阅读 CH224Q 芯片的数据手册，特别是 5.2.2 节关于 IO 电平配置的描述，制作了详细的电压配置表，并在原理图上添加了注释说明。

6.2 ESD 保护芯片的选型问题

问题描述：USB 信号线上需要添加 ESD 保护，但不同的 ESD 保护芯片对信号完整性的影响不同，需要选择合适的型号。

解决方法：选择了 USBLC6-4SC6-ES 芯片，该芯片专门为 USB2.0 信号设计，具有低电容、高 ESD 防护能力的特点，不会影响 PD 协议的正常通信。

6.3 PCB 布线中的信号完整性问题

问题描述：CC1 和 CC2 信号是高速差分信号，布线不当会导致信号反射和干扰，影响 PD 协议的通信稳定性。

解决方法：采用差分走线方式，保持两条信号线的长度一致，并且与其他信号线保持足够的距离；在信号线下方保留完整的地平面，提供良好的回流路径。

6.4 CH224Q 芯片焊接难度大的问题问题

描述：CH224Q 采用 DFN-10_L2.0-W2.0-P0.40-BL-EP 封装，整体尺寸仅为 2.0mm×2.0mm，引脚间距只有 0.40mm，且芯片底部带有大面积散热焊盘，手工焊接难度极大。主要难点包括：
引脚细小且密集，容易出现连锡、虚焊问题。底部散热焊盘无法直接观察焊接情况，容易出现焊锡不足或过多导致的芯片翘起。芯片体积小，定位困难，容易焊偏。焊接温度和时间控制不当容易损坏芯片内部电路

七、心得体会

7.1 设计收获

通过本次 CH224Q PD 诱骗模块的设计，我深入了解了 USB PD 协议的工作原理和 CH224Q 芯片的使用方法，掌握了 PD 诱骗电路的设计技巧。同时，在 PCB 设计过程中，我对高速信号布线、电源完整性和电磁兼容性有了更深刻的认识。

7.2 存在的不足

• 目前的设计只支持固定电压输出，不支持动态电压调节
• 没有添加输出过压和过流保护电路，存在一定的安全隐患
• PCB 布局还可以进一步优化，减小模块体积
• 没有考虑低功耗设计，模块在待机状态下的功耗较高

7.3 改进建议

1. 在后续版本中增加输出电压检测电路和过压保护电路，提高模块的安全性
2. 增加一个单片机，实现动态电压调节和更复杂的电源管理功能
3. 优化 PCB 布局，将模块尺寸进一步缩小到 50mm×12mm 以内
4. 添加一个 OLED 显示屏，实时显示输入电压、输出电压和电流等信息
5. 增加低功耗模式，降低模块在待机状态下的功耗

7.4 总结

本次 PD 诱骗模块的设计是一次非常有意义的实践活动，不仅提高了我的硬件设计能力，也让我对 USB PD 协议有了更深入的理解。虽然目前的设计还存在一些不足，但通过不断的改进和完善，相信这个模块会变得更加实用和可靠。