内容介绍

任务介绍

本项目为 USB-C PD 受电降压模块，目标是设计并制作一款可从 USB-C PD 快充适配器中协商获得 9V/12V 等电压，并稳定降压输出 5V（可扩展至 3.3V）大电流的电源模块。模块采用"PD 诱骗芯片 + 同步降压 DC-DC"的经典两级架构：前级由 CH224K 完成 USB-C CC 检测与 PD/QC 等多种快充协议的自动识别与电压请求，后级由 TPS565201DDCR 完成同步降压转换，最终通过 USB-A 接口与螺丝端子对外输出稳定 5V，满足最大 5A 的负载需求。

针对题目中"CC 检测、PD 协商、Buck 降压、ESD 与大电流布局"的要求，本模块在 USB-C 输入端预留了 VBUS/CC1/CC2/GND 调试测试点，在 Buck 级采用大容量输入/输出电容与合理的电感布局，并通过螺丝孔位接地、VBUS/GND 走线加粗等方式兼顾大电流路径与抗干扰能力。

方案介绍

1. 核心硬件选型

PD 诱骗协议芯片：CH224K
独立式多协议快充识别芯片，支持 USB PD、QC、FCP、AFC 等主流快充协议，通过外部 CFG1/CFG2/CFG3 引脚的电阻编码即可自动向适配器请求指定电压（9V/12V/15V/20V），无需 MCU 参与协商，简化了整体设计（本设计中 R4=24kΩ 对应请求 12V）。
同步降压转换器：TPS565201DDCR
宽输入电压范围的同步整流 Buck 芯片，输入电压覆盖 4.5V～17V，内部集成高低边 MOSFET，配合外部电感 L1 与反馈电阻分压网络（R6/R7）即可灵活设置输出电压，本设计配置为 5V 固定输出。
接口与端接器件：TYPE-C16PIN / USB-A / KF128 端子
输入采用标准 16Pin USB-C 母座（USB1），输出提供 USB-A 母座（USB2）与 2P 螺丝端子（U3）两种形式，便于直接为下游设备供电或接入线缆负载。

2. 电路设计亮点

亮点	说明
PD 诱骗式协商架构	CH224K 无需 MCU 与固件即可自动完成 CC 通信与电压请求，硬件成本低、上电即用
电压请求可配置	通过 CFG1 引脚外接不同阻值电阻（6.8k/24k/56k/NC）即可切换请求 9V/12V/15V/20V，本设计选用 24kΩ 对应 12V 输入
状态指示齐全	LED1 指示 PG（Power Good）状态，LED2 指示 VBUS 输入是否有效，便于现场快速判断
Buck 反馈可调	R6/R7 分压网络参照厂商推荐表选取，若需切换 3.3V 输出仅需按表更换分压电阻，方案可扩展性强
输入/输出大电容并联	VBUS 侧与 Buck 输入侧各并联多颗 22uF 电容，降低纹波并提升瞬态响应
调试测试点预留	H2 排针引出 VBUS/CC1/CC2/GND，便于外部逻辑分析仪或万用表对 PD 协商过程进行调试与验证

3. PCB 设计说明

板层结构：2 层板
尺寸：约 50mm × 50mm（四角带安装孔，孔位兼作接地）
布局原则：
- USB-C 输入接口与 CH224K 紧邻放置，缩短 CC1/CC2 走线，降低干扰对协商过程的影响；
- VBUS/GND 大电流路径加粗、就近走线，减少 Buck 级输入回路阻抗；
- Buck 电感 L1 与输入/输出电容围绕 TPS565201 就近摆放，缩短开关节点与反馈回路；
- USB-A 输出接口与螺丝端子分列板右侧与下侧，走线独立并适当加宽以满足 5A 电流需求；
- 四角安装孔均接 GND，兼顾结构固定、散热与整板地平面完整性，靠近 USB-C 连接器的外壳（SHELL）就近接地，缩短静电泄放路径。

原理图和PCB模块介绍

原理图

原理图按功能主要分为三部分：

PD 诱骗电路（CH224K）

- CFG1 通过 R4=24kΩ 接地，对应请求 12V 输出（依据器件手册 Rset 对照表：6.8kΩ=9V，24kΩ=12V，56kΩ=15V，NC=20V）
- VDD 引脚经 R2=1kΩ 上拉、C1=1uF 就近去耦
- CC1/CC2 分别经 R1=10kΩ 接入，配合 DP/DN 引脚完成 CC 检测与快充协议识别
- PG 引脚经 R3=4.7kΩ 驱动 LED1，指示协商成功状态
- VBUS 输入侧串接 LED2（经 R8=4.7kΩ）作为电源指示

DCDC 降压电路（TPS565201，5V 输出）

- 输入侧 C2/C3、C4/C5 共 4 颗 22uF 电容分组滤波，降低输入纹波
- 电感 L1=3.3uH 完成能量储存与释放
- BOOT 引脚经 C6=100nF 自举升压，保证高边 MOSFET 正常导通
- 反馈网络 R6=54.9kΩ、R7=10kΩ 按厂商推荐分压表设置，对应输出 5V
- EN 引脚经 R5=10kΩ 上拉，实现上电自启动

USB-C 输入与调试/输出

- USB1（TYPE-C16PIN）引出 VBUS、CC1/CC2、DP/DN、GND 及 SHELL 引脚，SHELL 就近接地
- H2 排针引出 VBUS/CC1/CC2/GND 四路调试测试点，便于外部监测 PD 协商过程
- 输出侧提供 USB2（USB-A 母座）与 U3（KF128-5.08-2P 螺丝端子）两种 5V 输出形式

PCB

设计图

3D图

可以看到本模块的结构非常紧凑：左侧为 USB-C 输入接口与 CH224K 协商电路，中间为 TPS565201 降压电路（含电感与滤波电容），右侧为 USB-A 输出接口，下方为螺丝端子输出与调试排针。VBUS/GND 大电流路径统一加粗处理，四角安装孔全部接地，兼顾结构与电气性能。

模块介绍

资源框图

本设计可视作由三个功能模块构成：

模块	核心器件	功能
PD 协商模块	CH224K	CC 检测、快充协议识别、按配置电阻请求 9V/12V 等电压
Buck 降压模块	TPS565201DDCR	将协商得到的 VBUS 电压降压转换为稳定 5V 输出
接口与输出模块	USB1/USB2/U3/H2	USB-C 输入、USB-A/端子输出、CC/VBUS 调试测试点引出

主要性能指标

参数	规格
输入接口	USB-C（16Pin 母座）
支持协议	USB PD / QC / FCP / AFC（由 CH224K 决定）
默认请求电压	12V（R4=24kΩ 配置，可更换电阻切换 9V/15V/20V）
降压芯片	TPS565201DDCR，同步整流架构
输出电压	5V（固定，如需 3.3V 可按反馈电阻表更换 R6/R7）
最大输出电流	5A（受限于走线截面与散热，实测以整板为准）
输出接口	USB-A 母座 + 2P 螺丝端子
调试接口	VBUS/CC1/CC2/GND 测试排针（H2）
状态指示	LED1（PG 状态）、LED2（VBUS 输入指示）

管脚定义

调试测试排针 H2（4P，2.54mm）

Pin	信号	方向	功能
1	VBUS	输出	协商后 VBUS 电压监测点
2	CC1	—	CC1 通信线测试点
3	CC2	—	CC2 通信线测试点
4	GND	—	模块地

USB-C 输入接口 USB1（TYPE-C16PIN）

Pin	信号	方向	功能
A4/B9, B4/A9	VBUS	输入	PD 适配器电压输入
A5/B6	CC1/CC2	—	CC 检测与 PD 通信
A6/A7, B6/B7	DP/DN	—	USB 2.0 数据线（协议识别用）
A1/B12, B1/A12	GND	—	输入地
外壳	SHELL	—	连接器屏蔽层，就近接地

输出接口 USB2（USB-A）/ U3（螺丝端子）

端子	信号	说明
USB2-VCC / U3-1	5V0	降压后 5V 输出
USB2-GND / U3-2	GND	输出地
USB2-D+/D-	—	短接或不接（视下游设备识别方式而定）

核心功能

自动 PD/QC 协商：CH224K 无需 MCU 介入即可完成 CC 检测与快充协议识别，按预设电阻请求 12V 输入。
稳定降压输出：TPS565201 将 12V 输入稳定降压至 5V，纹波小、瞬态响应快。
多形式输出：同时提供 USB-A 接口与螺丝端子输出，方便直接供电或接入外部线缆。
调试友好：VBUS/CC1/CC2/GND 测试点全部引出，便于快速定位协商异常问题。

应用场景

场景	说明
快充适配器降压转接	将 PD 适配器的 9V/12V 电压转换为标准 5V，为普通 USB 设备供电
移动电源/充电宝改造	利用 PD 输出电压诱骗至更高电压后降压，减小输入电流、降低线损
工业/机器人 5V 电源模块	螺丝端子形式便于接入现场设备，输出电流可达 5A
教学与实验平台	用于讲解 USB-C PD 协商机制、CC 检测与 Buck 降压设计要点

项目总结

本项目围绕"USB-C PD 受电降压模块"的目标，从器件选型、原理图到 2 层 PCB 完整落地，关键收获主要集中在三点：

PD 诱骗芯片大幅简化协商电路：CH224K 通过简单的电阻编码即可完成电压请求，无需 MCU 与固件开发，显著降低了开发门槛与成本。
反馈电阻决定输出电压，方案可扩展：TPS565201 的输出电压完全由 R6/R7 分压比例决定，后续如需切换 3.3V 输出，仅需按厂商推荐表更换两颗电阻，无需改动原理图结构。
大电流路径与调试点布局同样重要：VBUS/GND 走线加粗、螺丝孔接地、调试测试点引出等细节设计，直接影响模块在实际 5A 大电流工况下的稳定性与可维护性。