因為最近在開發 ErgoSNM v4 的核心板，但是手邊沒有可調直流電源供應器，所以想說來研究一下使用 USB PD（Power Delivery）來自己做一個看看。
現成
市面上已經有一些透過 USB PD 來供電的可調直流電源供應器，例如：
- MINIWARE MDP-P906（300W）
- FNIRSI DPS-150（150W）
- 正點原子 DP100（100W）
但我看不到這些商業化產品的內部是如何實現的，所以我需要找找 GitHub：
- CentyLab/PocketPD_HW: Hardware repo for PocketPD
- z4yx/USB-C-PPS: USB-PD charger as a programmable power supply.
- tobychui/PD-Adjustable-DC-Power-Supply: A DIY, USB PD powered, pocket sized adjustable DC / lab bench power supply for electronic makers
- wagiminator/ATtiny814-USB-PD-Adapter: USB Type-C Power Delivery Trigger and Monitoring Board
以 PocketPD 為例，它基本上就是一個 PD PPS（Programmable Power Supply）Sink，並直接向上游的 PD Source（即充電器）要求電壓和電流，這樣做有個好處就是不用實作複雜的電壓電流環控制器，通通交給上游的 PD Source 就好，壞處就是你要有支援 PD PPS 的充電器，且它要能夠提供符合你預期的電源。它所使用的關鍵零件如下：
RP2040 透過 I2C 控制 AP33772 來向 PD Source 協商電源，AP33772 有自帶電流感測但這裡沒用，AP33772 有帶 Gate driver 可以外接 FET 用來關斷 VBUS 但這裡沒用（而是靠 LM7310）。兩顆 LM3710 負責關斷電源路徑，由 RP2040 控制。INA226 透過一個 5mOhm 的 Shunt 來讀取電壓，透過 I2C 報給 RP2040，它有一個 ALERT pin 可用在故障時快速切斷 LM3710 但是這裡沒有這麼做。一個簡單的電阻分壓用來量測輸入電壓。
我的方案
可以的話儘可能滿足這些規格：
- 輸出規格：1.6V~20V, 5A, 60W
- Slew rate control
- Overvoltage protection（OVP）
- Undervoltage protection（UVP）
- Overcurrent protection（OCP）
- Short-circuit protection（SCP）
- Reverse current protection（RCP）
- Overpower protection（OPP）
- Overtemperature protection（OTP）
- Inrush current protection
- VBUS Discharge
MCU
MCU 如果有 USB 可以方便從電腦控制：
- RP2040：很便宜且規格很好，UF2 DFU 很方便，但是外圍電路偏複雜且要外接 Flash，GPIO 沒 5V-tolerant
- STM32C071G8U6：Cortex-M0+ 48MHz，QFN-28 的小型 MCU，基本外圍電路很簡單只需要 VDD 加兩個 MLCC 去耦電容，不用外接振盪器也可以用 USB 2.0 FS 12Mbps
- STM32F030C8T6：Cortex-M0 48MHz，LQFP-48。沒有 USB，但是很便宜。
但是因為考慮 PD 供電和電腦之間可能不共地，所有需要做隔離保護。最直接的方式應該是直接對要接電腦的 USB 做隔離，但是就算是 USB 2.0 12Mbps 的隔離 IC 也很貴，一個更便宜的方案是 USB 進來後先透過 USB-to-TTL 轉成 UART，再透過 UART 隔離 IC 接到 MCU，UART 隔離 IC 的價格比 USB 隔離 IC 便宜很多。如果是這樣的話那 MCU 就不用 USB PHY 了。如果需要單一通道的訊號隔離也可以透過光耦完成。
方案 A
首先最簡單的方案就是和 PocketPD 這些專案一樣，直接找個 PD Sink controller，把控制電壓電流甚至相關保護的事情都交給上游的 PD 變壓器，我們只需要負責送出協商命令即可。這樣的話基本上只需要一個 PD Sink controller 就可以了，但是畢竟目標是實驗用的電供，保護措施最好還是在前端加一下，我覺得至少 SCP 快速關斷可能要加。
找了一些看起來不錯的 PD Sink controller：
- AP33772：PocketPD 用的
- CH224：常見於所謂的平價 PD 誘騙器
- TPS25730：Sink only，無 PPS。有兩個版本，差別是有無內建的 Back-to-back FET。有 OVP 和 RCP
- TPS25751：DRP，有 PPS。有兩個版本，差別是有無內建的 Back-to-back FET。有 UVP、 OVP 和 RCP
- STUSB4500：Sink only
eFuse 可以用來提供快速的 SCP：
- TPS1663：有 SHDN pin 可以從外部關斷
- TPS2663：有 SHDN pin 可以從外部關斷。可以增加一個 N-FET 來和內部的 FET 組成 Back-to-back 來達成 RCP。Sink only 時 PP5V pin 可以接地 12。
在這個方案中，我會選擇 TPS25751 + TPS1663 的組合，RCP 由前者提供，後者就專心處理 SCP 即可，另外 TPS1663 有 SHDN pin 可以由 MCU 控制，可以可以打從電供上的 OUTPUT 按鈕功能。
這個方案的優點是簡單，因為真正的電壓電流控制都不是我們做，所以實際上的可用配置要看上游，而且也會要求上游 PD 要支援 PPS 功能。一個比較明顯的問題是可調電壓範圍，有些 PD PPS 變壓器的範圍是 5.0-20V，有些是 3.3-20V，但是 3.3V 的輸出電壓對我來說可能不夠低，我希望至少可以到 1.8V。
方案 B
由於方案 A 的電壓控制範圍完全看上游的供電控制能力，且低電壓不夠低，因此另一個方案就是由我們來控制電壓，為此我們需要一個高功率 DC/DC Converter。大部分的 Buck-boost Converter 都是直接用 Feedback 分壓電阻來控制輸出電壓，但是因為我們要可程式電壓，雖然也有利用數位電位器或 DAC 的方案，但是我還是找了有 I2C 的 IC。這些其實都是 PD PPS Source，且有內建一定的保護功能:
- MP4245
- MP8859
- TPS55288
- TPS55289
- RT6190
在這個方案中我會選擇 MP4245，因為它有明確的說到它有定電流（CC）模式，如果負載電流超過設定電流上限，則會開始控制並降低電壓，在 TI 的那兩個型號中對於 CC 的具體行為沒有更詳細的描述。
設計
最後我選擇了方案 B。PD Sink 使用 CH224 來向上游要求供電，透過一個用於 RCP 的 SS54 Schottky 連接到 MP4245，MC4245 會負責將電壓和電流控制在設定值，輸出直接接到連接器，就沒再加針對輸出的 RCP 了。MCU 使用 STM32F030C8T6，一組 UART 透過 ADuM1201AR 隔離 IC 可以用來連接電腦，沒加板載 USB-to-TTL IC 所有要外掛。MCU 的供電是從 CH224 之後的 VBUS 提供，透過 TPS5431 Buck 降壓到 3.3V，選它是因為很便宜。
如果想監控電壓和電流的話，MC4245 有 I2C Reg 可以讀。
對於 MC4245 可能的 FB 電阻組合：
- 10k / 90k: ratio=10.0，Vout 範圍 ≈ 1.00 ~ 16.380 V
- 6.2k / 80.6k: ratio=14.0，Vout 範圍 ≈ 1.40 ~ 22.932 V
大功率走線都直接鋪銅，但是這個線寬在 1oz 的 PCB 上跑 3A 其實還是不太夠。
雖然 PCB 是畫好了，但是我暫時沒有生產測試的打算，也不確定現在這個方案是不是真的可以運作，就先做個記錄，如果未來真的要做下去的話再分享。
GitHub repo: https://github.com/ziteh/pd-power-supply