STUSB4500 PPS（PD3.0）快充SINK模块——应用 解析

0 前言

朋友参加车展，收获一枚很漂亮的倍思65W氮化镓快充头，送给我了。
我看了手中只支持33W快充的三星陷入了沉思…

快充头支持PPS协议，我心思这玩意适合做可调电源啊！
上网随便一查没查到，都是转换成5V、9V、12V等固定电压的，商机来了啊！！

直接让DeepSeek给我推荐了一款芯片，DeepSeek大手一挥推荐了ST的STUSB4500。
上网一搜除了官网啥资料没有，没毛病，吃螃蟹总要付出点什么~

一顿看手册、看参考设计、画板子、焊板子、调板子炸了两颗芯片
结果全做完了，上立创开源广场一搜，一大堆做PPS协议的可调电源的
当时怎么没换个关键词好好搜搜呢…

不过也不是完全没有意义，因为现有的方案大多数都是安森美的FSUSB302
介绍个别的芯片给大家换换口味，更何况ST这个销量也不错呢

综上，本文是少有的STUSB4500芯片解析的帖子（虽然这颗芯片也出了很久了），主要介绍一下其应用方案及芯片解析。

我的使用经验也不足，有问题烦请指出。

1 资料

STUSB4500 DATASHEET — Standalone USB PD sink controller with short-to-VBUS protections
STUSB4500 官方文档
STUSB4500 官方评估板

2 概述

主要的特性：

1. 自动运行TypeC和USB PD接收控制器
   ——指不通过IIC连接MCU也能用
2. 支持电池耗尽模式
   ——指可以只通过TypeC的$V_{BUS}$供电给$V_{DD}$，不用外接电源
3. 3个可配置的PDO配置文件
   ——有3个默认的可配置文件，用于决定输出的电压和电流值。当不使用IIC连接
   MCU的时候，将使用优先级最高的配置文件决定输出的电压和电流
4. 双通道高功率充电路径支持
   ——由两个引脚是开漏输出，用于驱动MOS管，可以由软件或自动控制，达到控制电源路径的目的
   （还有一个引脚用于驱动MOS管，但那个引脚相当于是放电路径的总开关）
5. $V_{BUS}$引脚最高可耐28V的电压
6. 双电源供应
   ——当使用电源耗尽模式时，参考特性2；当不使用电源耗尽模式时，可以通过$V_{SYS}$给芯片供电
7. 兼容PD3.0
   ——（也支持PD3.0里的PPS）

综上，我觉得STUSB4500比FSUSB302强的地方主要在于多了3个MOS管控制引脚，用于控制放电路径。

3 引脚定义

4 要点

4.1 电源耗尽模式

两个参考图都是使用电源耗尽模式的。

快充芯片是用来给移动设备用的嘛，移动设备都会有电池，平时由电池来给STUSB4500供电，当连接快充头（source端）的时候，STUSB4500（sink端）通过CC和source端通信，获取到需要的电压和电流。

而当电池没电的时候，STUSB4500也就没电了，没法和source端建立通信，因此连一个5V都获取不到（如果CC引脚没有接下拉的话）。因此这种时候就需要使用电源耗尽模式，当无法使用电池通过$V_{SYS}$引脚给STUSB4500供电时，STUSB4500可以在CC引脚上提供一个下拉，获取到一个电压用于给自己供电，并在后面建立通讯。

电源耗尽模式的硬件接法：

• CC1DB和CC1接一起，CC2DB和CC2接一起。

然而，直接量CC引脚对地是量不到下拉电阻的，因为里面的结构大概是这样的 （引用自TI的TPS65988）：

可以把上图的C_CCn看成STUSB4500的CC1，把RCD_DB_EN看成CC1DB。

TI的原文解释如下：
.
TPS65988 支持在无电池或电池耗尽状态下通过从 VBUS 获取电力启动系统。Type-C USB 端口要求受电设备（Sink）在 CC 引脚上呈现 Rd（下拉电阻），Type-C 电源（Source）才会在 VBUS 上提供电压。 TPS65988 的硬件设计可在电池耗尽或无电池状态下自动配置这一 Rd 电阻。此外，电路还提供一种机制，在设备不再需要从 VBUS 取电时关闭此 Rd。
.
图 8-16 展示了 C_CCn 引脚的配置，并详细说明了图 8-14 中基础线缆插入与方向检测模块的结构。每个 C_CCn 引脚的下拉 FET 栅极连接了一个电阻 R_RPD。在正常受电模式（Sink）下，下拉电阻为 RD_CC；但在电池耗尽或无电池状态下，电阻未经过校准，此时表现为 RD_DB。当系统在电池耗尽状态下检测到 RD_DB 时，应用程序代码会将其切换为 RD_CC。
.
在此情况下，下拉 FET 的栅极驱动器输出为高阻态（Hi-Z）。当外部连接在 C_CCn 引脚上施加上拉电压（例如连接到带有上拉电阻 Rp 或上拉电流的 DFP 时），通过 R_RPD 的路径会将 FET 栅极电压上拉，从而导通下拉电阻 RD_DB。此时，C_CCn 引脚等效于一个钳位电压 VTH_DB 与电阻 RD_DB 串联的电路。
.
术语解释：
DFP（Downstream Facing Port）：Type-C 中的下行端口（如主机或电源），通常配置上拉电阻 Rp。
VTH_DB：钳位电压阈值（与死电池模式相关）。
RD_DB：死电池模式下的下拉电阻值。

4.2 PDO配置文件

4.2.1 PDO概述

PDO全程是Power Data Object，是 PD 协议中用于描述电源能力或电源需求的数据结构。

STUSB4500支持3组PDO。其中PDO3的优先级最高，PDO1的优先级最低。
PDO1的电压是不可调整的，固定为5V。PDO2和PDO3的电压是可以调整的，参照下表（用户定义参数和默认配置表）；PDO1、PDO2和PDO3的电流都是可以调整的。

STUSB4500 三个PDO的默认参数如下：

4.2.2 PDO的匹配流程

决策算法将 SNK_PDO（接收端电源需求） 与 SRC_PDO（源端供电能力） 逐一比较。

从优先级最高的 SNK_PDO 开始，依次向下比较，优先比较电压，再比较电流。
如果满足以下条件，则匹配成功，停止对其余PDO的比较。
(1) SNK_PDO 电压 等于 SRC_PDO 电压；
(2) SNK_PDO 电流 ≤ SRC_PDO 电流。

匹配成功时，生成 RDO（请求数据对象），包含：
工作电压 = 匹配的 SNK_PDO 电压；
工作电流 = 匹配的 SNK_PDO 电流；
最大电流 = 匹配的 SRC_PDO 电流。

将 RDO 发送给源端，等待源端接受并切换电压，SINK 端收到 PS_READY 后完成协商。

若所有比较均未匹配，则 PD 协商失败，默认采用 5V 供电。
发送 RDO，标记能力不匹配；
工作电流 = 源端 5V PDO 的电流值；
最大电流 = SNK_PDO1 的电流值。

4.3 电源回路控制

STUSB4500有三个引脚，VBUS_EN_SNK、POWER_OK2和POWER_OK3，用于驱动MOS管以控制电流路径。

这三个引脚的有效触发状态可通过IIC配置，当一些条件满足时，该引脚由高阻态变为低电平，MOS管导通，相应的电流回路被激活。

默认状态是Configuration 2：
当检测到VBUS时，VBUS_EN_SNK输出低电平，否则为高阻态；
当匹配PDO2时，POWER_OK2输出低电平，否则为高阻态；
当匹配PDO3时，POWER_OK3输出低电平，否则为高阻态。

在本文设计的模块中，只使用VBUS_EN_SNK驱动了MOS管，来充当整个放电回路的开关。POWER_OK2和POWER_OK3则作为一个引脚引出模块。

5 原理图

5.1 参考原理图

这里主要参考了两个原理图设计：

• STUSB4500 DATASHEET里的Typical applications：
  
• 来自MIKROE的评估板的原理图：
  

5.2 模块原理图

• STUSB4500芯片外围

• 放电回路控制

• ESD保护
  
• IIC和RST引脚外围
  

6 PCB

7 实物演示

• 上电但是不接USB
  
• 接入VBUS和GND，但是不接CC
  可以看到ATTACH引脚的灯没有亮，量VSINK引脚也没有电压输出
  
• 再把CC接上
  可以看到ATTACH引脚的灯亮了，并且量VSINK引脚有20V电压输出
  

8 结语

以上，希望对大家有帮助。

后面我会用STUSB4500做一个超迷你的PPS可调电源，包含LCD显示、过欠压保护、过流保护、短路保护、PC控制等，目前已经申请立创本年度的星火计划了，有兴趣的话可以关注一手，等待后续更新。

PCB会在测完了之后开源在立创广场，届时会把链接更新过来。