USB Type-C® Power Delivery using STM32(5) - STM32 USB PD 기능

Dedicated architecture proposals and solutions

Sourcing power to VBUS

전력 공급 소스 역할을 하는 SRC 포트 및 DRP는 VBUS 라인에 전원을 공급합니다. 일반적으로 사용되는 전력 스테이지에는 DC/DC 컨버터, AC/DC 컨버터 및 SMPS가 포함되며 배터리가 있거나 없습니다.

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전원 스위치는 출력(VOUT)을 VBUS 라인에 연결합니다. 범용 STM32 ADC, DAC, GPIO 및 I2C 주변 장치를 사용하면 다음 그림과 같이 유연하고 확장 가능한 전력 스테이지 제어가 가능합니다.

그림 34. Sourcing power to VBUS

Signal description

• ADC: VBUS 전압 및 전류 측정

• GPIO: 전원 스위치 제어, 전력 스테이지 활성화, 오류 감지

• PWM 또는 DAC: 전력 스테이지에 대한 전압 레퍼런스

• I2C: I2C 버스를 사용한 전력단의 디지털 제어.

STM32G0 구현에서 DC/DC 컨버터는 타이머로 생성된 PWM에 의해 구동됩니다(STM32에서 사용 가능). 목표는 요청 된 전압에 해당하는 PWM을 결정하는 것입니다. 반복 알고리즘은 대상 PWM을 추정하고 전압 측정은 예상 값에 도달했는지 여부를 확인합니다.

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DC/DC output control with GPIOs

GPIO로 스위칭된 저항 브리지를 통한 제어

VREF 라인 전압은 VOUT 라인 전압을 나누는 저항 브리지로 설정됩니다. 분할 비율은 다음 그림과 같이 오픈 드레인 GPIO를 사용하여 원하는 값으로 전환됩니다.

그림 35. Setting VRef with a switched resistor bridge

PWM 출력으로 작동하는 GPIO를 사용한 제어

VREF 라인 전압은 VOUT 라인 전압을 분할하는 저항 브리지 R1/R2와 듀티 사이클로 정의된 시간 동안 저항 브리지의 하단을 접지에 연결하는 오픈 드레인 PWM GPIO 출력으로 설정됩니다. 저항 브리지의 중간 지점에있는 전압은 저항 브리지의 저항과 함께 저역 통과 RC 필터를 형성하는 커패시터를 사용하여 평균 레벨로 평활화됩니다. PWM 듀티 사이클을 변경하면 VOUT 라인 전압이 달라집니다.

Figure 36. Setting VRef with a PWM GPIO

DAC 출력 역할을 하는 GPIO를 사용한 제어

VREF 라인 전압은 STM32 DAC 출력으로 구동할 수 있습니다.

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Applying VCONN on CC lines

소스 역할을 하는 SRC 포트 또는 DRP는 다음과 같은 경우 VCONN 기능을 지원해야 합니다.

• 3A 이상의 공급 또는 인출

• USB3 지원

단일 VCONN 전압 발생기가 시스템에 있습니다. 2개의 전원 스위치가 VCONN(5V)을 CC1 또는 CC2 핀에 인가하고, 동시에 2개의 MOSFET이 STM32 UCPD CC1 및 CC2 핀을 CC 라인에서 분리합니다. 전원 스위치가 CC 라인에 VCONN 적용을 중지하면 2개의 FRS 정류 MOSFET이 CC 라인을 방전합니다.

이는 다음 그림과 같이 두 개 이상의 GPIO를 사용하여 VCONN_EN1 및 VCONN_EN2 제어하는 것을 의미합니다.

그림 37. Applying VCONN on CC lines

Signal description

2개의 GPIO(그림에서 VCONN_EN1 및 VCONN_EN2로 표시됨)는 스위치를 제어하여 CC 라인에 VCONN을 적용하고 CC 라인에서 STM32 CC 핀을 동시에 분리합니다. 소프트웨어에 대한 자세한 내용은 [1]을 참조하십시오.

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Time Line

그림 38. Applying VCONN - time line example

순서는 다음과 같으며, 기울임꼴로 표시된 작업은 GPIO(ADC, IO 등)를 기반으로 합니다.

• 상태 0: 장비 간 연결 없음

– 분리 상태

– Rp = 1.5A Rd = 5.1K (CC 핀)

• 상태 1: 케이블을 연결합니다. VBUS는 SRC_EN GPIO를 사용하여 켜집니다. 연결 상태.

– GPIO 핀을 사용하여 VBUS의 USB-PD 스위치SRC_EN

– 교환된 기능

• 상태 2: VCONN 요청 켜기

• 상태 3: VCONN_EN1/2 GPIO를 사용하여 VCONN을 활성화합니다.

• 상태 4: USB-PD SW: OVP 및 안전은 V/I VBUS 감각을 찾고 있습니다.

• 상태 5: VCONN 켜기 요청

• 상태 6:VCONN_EN1/2 GPIO를 사용하여 VCONN을 비활성화합니다.

– FRSTX 핀 또는 GPIO를 사용하여 CC1/2 라인 방전 시작

• 상태 7: 케이블 분리, 싱크 쪽에서 VBUS가 꺼져 있음

– USB 전원 공급은 DISCH GPIO 핀을 사용하여 VBUS 전압이 vSafe0V에 도달할 때까지 VBUS 방전을 시작합니다.

• 상태 8: VBUS 전압이 vSafe0V에 도달

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FRS signalling

FRS 신호 처리는 유형 C DRP 역할 스와핑에만 필요합니다. 전원으로 작동하는 DRP만 선택적으로 정전 감지 시 FRS 신호를 보냅니다.

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FRS 신호 처리(TX): UCPD 주변 장치는 CC 라인을 GND로 강력하게 풀링하기 위해 외부 하드웨어가 필요합니다.

• 이는 STM32 UCPD 주변 장치에 의해 제어되는 두 개의 외부 NMOS 트랜지스터를 의미합니다.

• CC 라인당 1개, GPIO를 해당 FRSTX1 또는 FRSTX2 AF로 설정하여 제어

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FRS 감지(RX): FRS 신호 감지는 내부적입니다. 소프트웨어로 활성화할 수 있습니다.

• 소프트웨어가 UCPD 중단을 사용합니다.

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UCPD 주변 장치는 대체 기능 멀티플렉싱을 통해 사용할 수 있는 제어 비트(FRSTX)를 제공합니다. 'FRS 신호 처리' 조건을 시작하기 위해 1에만 기록됩니다. 필요한 타이밍을 준수하기 위해 조건이 자동으로 지워집니다. 자세한 내용은 관련 STM32 MCU 또는 MPU 제품 데이터 시트를 참조하십시오. 이 동작은 전원 공급 3.0에서 도입되었으며 선택 사항이며 DRP 역할에만 적용됩니다. 이를 통해 빠른 솔루션은 전원 공급 능력을 상실한 소스에 대해 전원 역할을 교환할 수 있습니다. SRC(소스) 모드의 DRP는 전원 역할(즉, VBUS 소스)을 최대한 빨리 교환하기 위해 경고 조건으로 'FRS' 신호를 보냅니다. 일반적으로 로컬 배터리가 없을 때 유용합니다.

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VCONN 기능을 사용하는 경우 FRSTX1 및 FRSTX2는 MOSFET을 통해 CC1 및 CC2 라인을 방전합니다.

그림 39. Fast role-swap DRP mode circuit

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Monitoring VBUS voltage and current

Protection and safety

L7987과 같은 DC/DC 컨버터 회로는 VBUS 및 VCONN을 생성하는 데 사용되며 OTP/OVP/OCP 생성이 내장되어 있습니다. 이러한 오류는 안전을 위해 사용자 응용 프로그램 수준의 소프트웨어에서 처리 할 수 있습니다. 이를 위해 DC/DC 오류 출력 신호를 STM32 측의 EXTI로 라우팅할 수 있습니다.

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PD 프로토콜

SNK 포트 또는 DRP는 전원 싱크의 역할을 하는 VBUS 레벨을 측정하여 REQUEST_ACCEPT/

소프트웨어 측에서 프로토콜 메시지를 PS_RDY / 분리합니다. 이를 위해 STM32 측에 하나의 ADC가 필요합니다. 전원 역할을 하는 SRC 포트 또는 DRP는 VBUS에 전원을 공급하고 지정된 대상 내에서 전압을 유지합니다(모니터링 및 DC/DC 컨버터 제어를 통해).

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메서드

옵션 VBUS 전류를 측정하려면 저저항 션트를 사용하십시오. VBUS 전압을 측정하려면 기본 저항 브리지를 사용하십시오. 선택적으로 OVP 및 안전을 위해 연산 증폭기를 추가합니다.

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참고: TSC2011 및 TSC2012 정밀 양방향 전류 감지 증폭기를 사용할 수 있습니다. www.st.com 의 데이터시트를 참조하십시오.

그림 40. VBUS voltage and current monitoring circuit

참고: 추가 보호(그림 40의 P1)는 Isense 및 Vsense에 추가할 수 있습니다. 섹션 14 권장 사항을 참조하십시오.

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Dual-role power port

STM32G0 및 TCPP03 STMicroelectronics 부품 번호를 기반으로 하는 이중 역할 전원 포트(Dual-role power port) 적용 예는 그림 41 및 표 16에 나와 있습니다. NUCLEO-G071RB 및 X-NUCLEO-DRP1M1은 빠른 프로토타이핑에 사용할 수 있습니다.

그림 41. STM32G0 pin/resource assignments

표 16. STM32G0 resources

<계속>