如何自制一款一键式5-20V USB-C PD电压选择器

过去我曾研究过电源传输(PD)IC，它们非常适合从GaN充电器获取即时电压。我曾制作过一个简单的独立电路板，通过设置寄存器来选择不同的PD电压。但为何不采用单键设计并搭配一个10美分的微控制器，让设备更实用呢?无需OLED显示屏、旋转编码器或过度复杂的设计，只需一个简单的开关按钮和几个LED灯即可。本项目正是基于此理念，使用WCH硬件平台制造的CH224K USB PD接收控制器与CH32V003F4P6芯片完成。

原理非常简单：插入USB-C PD充电器后，按下按钮即可在5V、9V、12V、15V和20V之间循环切换，对应LED灯会亮起，提示当前激活的电压。我使用EasyEDA设计了电路，并通过JLCPCB生产了PCB，以实现这一功能。在本次分享中，我将提供代码和硬件文件，方便大家轻松搭建自己的设备。让我们开始吧。

什么是USB供电?

传统USB接口提供5V电压，仅此而已。USB PD是一种协议，允许充电器和设备通过USB-C线缆协商更高的电压和电流。典型的USB PD充电器可输出5V、9V、12V、15V和20V，最大功率为100W。这一技术在手机快充普及后变得尤为重要：由于手机内部电路会降压，从而以更高的电流对电池进行本地充电，因此可以实现更高电压的快速充电。

这种电压协商过程发生在USB-C连接器的CC(配置通道)线上。受电设备向供电端告知所需电压，而供电端则根据情况选择最接近的可用电压。这使得PD受电板对于创客和电子爱好者来说极为实用。这里我使用了一款专用芯片来实现这一功能：CH224K。它基于三个配置引脚(CFG1、CFG2、CFG3)，可自动与PD电源协商电压。你可以使用固定电阻值，也可以通过微控制器驱动CFG引脚实现动态电压选择，而这正是我在此应用的方式。

CH224K的主要特点：

•支持USB PD 2.0和3.0协议可选输出电压：5V、9V、12V、15V 和 20V

•三个配置引脚(CFG1、CFG2、CFG3)用于电压选择

•电源就绪(PG)输出，用于指示电压已准备就绪

•内置CC下拉电阻，用于检测USB-C接口

•提供紧凑型SOP-10封装

•工作供电电压：3.3V 至 5.5V

选择适合动作的微控制器

主要问题是设备成本;我无法选择一个控制器，其价格超过设备本身的实际功能成本。CH32V003F4P6 是 WCH 的超低成本 MCU，售价仅为 0.10 美元。尽管价格低廉，它在本项目这类简单的控制任务中却表现得相当出色。

CH32V003F4P6的关键规格：

•核心：清科32位RISC-V2A架构，最高可达48MHz

•闪存：16KB

•SRAM：2KB

•封装：TSSOP-20(20针)

•GPIO：18个I/O引脚

•外设：USART、I2C、SPI、ADC、定时器

•工作电压：3.3V 至 5V

•成本：约 0.10 美元

本项目共使用了 9 个 GPIO 引脚，其中 3 个用于驱动 CH224K 的配置引脚，5 个用于指示 LED，1 个用于读取按钮状态。

所需元件

以下是本项目所用元件的完整清单：

•USB Type-C 连接器

•CH224K

•CH32V003F4P6

•LM317DCYR

•LED 灯

•1 kΩ 电阻

•10 kΩ 电阻

•分压电阻

•100 nF 电容

•1 µF 电容

•16 pF 电容

•按钮开关

•螺丝端子块

•JLCPCB 定制 PCB

电路图

USB Type-C 连接器为标准的 16 芯连接器。VBUS 引脚提供充电器的 PD 电压，CC1/CC2 线直接连接至 CH224K，用于 PD 通信。三个配置引脚 CFG1、CFG2 和 CFG3 分别连接到 MCU 的 PD2、PD3 和 PD4 引脚上。

VDD 线路上设有一个 10 kΩ 下拉电阻和去耦电容，以确保为 IC 提供干净的电源。CH224K 的 PG(电源良好)引脚通过一个 1 kΩ 电阻直接驱动 LED2，当输出电压达到对应值时，LED 就会亮起。我选择LM317是因为它能够处理较宽的输入电压范围，这一点在本设计中尤为重要，因为VDD电源轨的电压会随所选的PD电压而变化。无论输入端是5V还是20V，LM317都能将MCU的供电维持在稳定的3.3V。

注意：在将LM317电位器配置为3.3V后，请先焊接MCU;否则可能会烧坏MCU。

固件使用以下精确的表格来设置每个按键按下时的正确电压：

CFG1、CFG2、CFG3 和 电压值

1 - - 5V

0 0 0 9V

0 0 1 12V

0 1 1 15V

0 1 0 20V

PCB设计

我在EasyEDA中设计了紧凑的双层PCB板。布局结构如下：左侧为USB-C接口，中间为CH224K及其辅助元件，右侧为指示LED、按钮和输出端子。每根指示LED旁边都标有对应的电压等级(5V、9V、12V、15V、20V)的丝印标签。

电源正常指示LED和“PD ON”标签均位于CH224K区域附近。为了承载VBUS电流，我采用了更宽的走线，以应对USB PD所能提供的较高电流(最高可达20V下的5A，即100W)。LM317稳压器被放置在电路中央，并预留了足够的铜面积以实现良好的散热效果。我选择从JLCPCB定制了5块电路板，因为他们的性价比最高。我从未在使用JLC PCB时遇到过任何问题。请从这里获取您的制造文件(Gerber/BOM/CPL)，然后立即开始制作。

固件说明

CH32V003的固件使用C语言编写，基于WCH的MounRiver Studio IDE及其标准外设库开发。代码简洁高效，仅完成三项任务：读取按钮状态、更新CH224K配置引脚，并点亮对应的LED灯。接下来我将逐一为您讲解各个部分。

GPIO配置：`GPIO_Config()`函数用于配置所有必要的引脚。首先，我们启用Port C和Port D的外设时钟：

接着，我们将PC0至PC4设置为LED的推挽输出，PC5设置为按钮的浮空输入(由于通过R2连接了外部10kΩ下拉电阻)，同时将PD2至PD4设置为CH224K CFG引脚的推挽输出。最后，我们将所有LED引脚设置为高电平以关闭它们(请记住，这是低电平激活的配置)。

配置查找表：这部分非常巧妙。为了避免使用复杂的switch-case语句，我创建了三个查找表，直接将模式索引(0到4)映射到CFG引脚的状态：模式0为5V(CFG1=1，忽略CFG2/CFG3)，模式1为9V(所有位为0)，模式2为12V(CFG3=1)，模式3为15V(CFG2=1且CFG3=1)，模式4为20V(CFG2=1，CFG3=0)。`led_table`将每个模式映射到对应的LED引脚。这种方法比switch-case更简洁，且便于添加或重新排列模式。

设置CFG引脚：`setCFG()`函数接受三个参数(每个CFG引脚一个)，并驱动相应的GPIO引脚为高电平或低电平：

这是使用WCH外设库函数进行的简单GPIO操作。`GPIO_SetBits`将引脚置为高电平，`GPIO_ResetBits`将其置为低电平。

应用当前模式：`applyMode()`函数将所有步骤整合在一起。它首先通过将LED引脚置为高电平来关闭所有LED，然后调用`setCFG()`函数，传入对应模式索引的查找表中的值，最后通过拉低相应引脚来开启正确的LED：

该功能在启动时(用于设置初始的5V模式)以及每次按钮被按下时都会被调用。

带去抖的按钮读取：`readButton()` 函数通过上升沿检测和去抖来处理按钮：

其工作原理如下：函数首先读取当前按钮状态，并与上一次状态进行比较。如果按钮刚刚从低电平变为高电平(即出现上升沿)，则等待20毫秒进行去抖，然后再次读取按钮状态。如果去抖延迟后按钮仍保持为高电平，则说明确实发生了按键操作。此时模式索引会递增，当达到4时，自动回滚至0，并依次循环切换5V、9V、12V、15V和20V。

主循环：`main()` 函数较为简单，它初始化系统时钟、延时计时器和GPIO引脚，然后将默认模式设置为5V(模式索引0)，并进入一个无限循环，持续轮询按钮状态。

我特意选择5V作为默认启动电压，因为这是最安全的选择。所有USB PD充电器都支持5V，不会对连接的设备造成损害。之后，用户可按按钮根据需要逐步提升电压。

电源正常指示灯

这个设计中一个我很喜欢的细节是电源正常指示灯(LED2)。该LED完全不受微控制器控制，而是通过一个1K电阻(R11)直接连接到CH224K的PG(电源良好)输出引脚。

当CH224K成功与PD协商出所需电压时，PG引脚变为高电平，LED2亮起。如果协商失败，PG引脚保持低电平，LED2则不亮。这为输出电压是否正确且稳定提供了独立的硬件级确认，尤其在开发和调试过程中非常有用。如果电压指示LED显示20V，但电源良好指示灯未亮，则可以立即判断充电器无法提供所需的电压。

测试与操作：

组装其中一台后，我将其打开!使用USB万用表串联在充电器上，以便监测电流并提供过流保护。因此，一旦发生异常，电路将自动关机。

在确认电路正常工作并测量空载电流后，我直接切换至充电器。

然后连接多用途表进行电压测量，以下是结果。

结语

这个USB PD电压选择器项目结合了两款出色的WCH芯片。只需按一次按钮，即可在5V、9V、12V、15V和20V之间切换，通过清晰的LED指示灯显示所选电压，并由硬件驱动完成电源状态确认。由于CH224K和CH32V003是各自类别中最经济实惠的芯片之一，该电路板的总成本非常低。固件简单、开源，若想添加如基于EEPROM的上次模式记忆或长按直接跳转至特定电压等功能，也易于修改。硬件设计简洁，所有元器件均容易获取。本项目可帮助您亲手制作自己的USB PD电压选择器。

本文编译自hackster.io