ST-ONEHP：EPR USB - PD電源供應的集成控制器解決方案

在電子設備的電源供應領(lǐng)域，不斷追求更高的功率密度、效率和安全性是永恒的目標。ST - ONEHP作為一款專為EPR USB - PD電源供應設計的全集成控制器，為工程師們提供了一個強大而靈活的解決方案。本文將深入剖析ST - ONEHP的特性、應用、電氣參數(shù)以及設計要點，幫助電子工程師更好地理解和應用這款產(chǎn)品。

文件下載：st-onehp.pdf

產(chǎn)品概述

ST - ONEHP是ST - ONE?系列的一員，它是世界上首款嵌入ARM Cortex M0 +內(nèi)核的數(shù)字控制器，集同步整流、USB PD PHY于一體。該設備旨在控制ZVS非互補有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器，以創(chuàng)建具有EPR兼容USB - PD接口的高功率密度充電器和適配器。

特性亮點

1. 高效控制架構(gòu)：采用ZVS非互補有源鉗位反激式控制器，搭配同步整流技術(shù)，結(jié)合USB - PD 3.1 EPR和AVS接口，實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。
2. 強大的MCU支持：內(nèi)置ARM? 32位Cortex? - M0 + MCU，擁有64 kB閃存，用于數(shù)字電源控制和USB協(xié)議處理。
3. 靈活的二次側(cè)控制：可通過固件編程的二次側(cè)MCU同時控制同步整流器和一次側(cè)的ZVS有源鉗位反激，在各種條件下提高系統(tǒng)效率。
4. 高頻操作能力：與MasterGaN功率級配合，可實現(xiàn)高開關(guān)頻率操作，允許使用小型磁性元件，包括平面變壓器。
5. 隔離通信通道：具備符合IEC 62368 - 1標準的強化電隔離雙通信通道，提供4 kV pk瞬態(tài)電壓、9.6 kV pk 1min耐壓測試和6.4 kV pk 1s耐壓生產(chǎn)測試。
6. 高電壓啟動與保護：支持800 V高電壓啟動，集成輸入電壓感應和Brown - in/out功能，同時具備有源輸入濾波電容器放電電路，降低待機功耗。
7. 集成USB - PD PHY：集成24 V耐受保護的USB - PD PHY和負載開關(guān)驅(qū)動器。

應用場景

ST - ONEHP適用于功率超過100 W的USB - PD 3.1 EPR充電器和適配器，可用于智能手機、平板電腦、筆記本電腦等設備。

電氣參數(shù)與性能

引腳功能與連接

ST - ONEHP共有36個引腳，每個引腳都有特定的功能。例如，HV引腳用于高電壓啟動和交流電壓感應，POTP引腳用于一次側(cè)過溫保護，SS引腳用于軟啟動設置等。詳細的引腳功能可參考數(shù)據(jù)手冊中的表格。

電氣額定值

數(shù)據(jù)手冊中給出了ST - ONEHP的絕對最大額定值和最大工作條件，包括電壓、電流、電容等參數(shù)的限制。例如，HV引腳的電壓范圍為 - 1至800 V，PVCC引腳的一次側(cè)電源電壓范圍為 - 0.3至18 V等。在設計時，必須確保設備在這些額定值范圍內(nèi)工作，以避免損壞。

ESD免疫水平

該設備的所有引腳在HBM模式下可承受±2 kV的靜電放電，在CDM模式下可承受±500 V的靜電放電，具有較好的ESD防護能力。

熱數(shù)據(jù)

ST - ONEHP的熱阻為65 °C/W，結(jié)溫范圍為 - 40至125 °C，存儲溫度范圍為 - 55至150 °C。在設計散熱方案時，需要考慮這些熱參數(shù)，以確保設備在正常工作溫度范圍內(nèi)運行。

安全數(shù)據(jù)

符合IEC 62368和UL 1577等標準的絕緣安全數(shù)據(jù)，包括絕緣類型、瞬態(tài)電壓、電氣強度測試、間隙和爬電距離等參數(shù)。此外，還提供了X - Cap放電安全數(shù)據(jù)，確保在電源斷開時對輸入電容進行安全放電。

電氣特性

數(shù)據(jù)手冊中詳細列出了ST - ONEHP在不同條件下的電氣特性，如一次側(cè)和二次側(cè)的電源電壓、供電電流、高電壓啟動特性、X - Cap放電特性、交流欠壓/過壓保護、過溫保護、軟啟動特性、過壓保護、過流保護、突發(fā)模式等。這些特性為工程師在設計電路時提供了重要的參考依據(jù)。

設計要點

典型應用原理圖

ST - ONEHP是一款高度集成的IC，只需少量外部組件即可構(gòu)建完整的系統(tǒng)。一次側(cè)需要連接交流全波整流器、PFC（可選）、半橋功率級、鉗位電容和輔助繞組電源；二次側(cè)需要連接同步整流FET、共源共柵FET、負載開關(guān)驅(qū)動電路、電流感測電阻、電荷泵電路、鉗位FET和電壓感測電阻分壓器等。

外部組件選擇

1. 變壓器設計：變壓器的匝數(shù)比和一次側(cè)電感是關(guān)鍵參數(shù)。匝數(shù)比應根據(jù)最大輸入和輸出電壓以及一次側(cè)開關(guān)的電壓承受能力來選擇，典型的140W、28V輸出USB - PD EPR應用的匝數(shù)比約為4至4.5。一次側(cè)電感與開關(guān)頻率的關(guān)系可通過公式計算，對于高頻轉(zhuǎn)換器，還需考慮鉗位時間和死區(qū)時間。
2. 鉗位電容選擇：鉗位電容的值決定了開關(guān)周期中第5階段電容與變壓器漏感之間的諧振周期。建議選擇合適的鉗位電容值，使第5階段在高線、高輸出電壓條件下約占開關(guān)周期的15%。
3. 二次側(cè)漏極感測：SRVDS引腳用于感測同步整流器的漏極電壓，以控制同步整流MOSFET的導通和關(guān)斷，并實現(xiàn)谷底開關(guān)。需要使用適當?shù)耐獠裤Q位電路來限制引腳電壓在工作范圍內(nèi)。
4. 二次側(cè)電流感測電阻：二次側(cè)電流感測的滿量程范圍為25 mV，電流感測電阻應根據(jù)公式選擇，以確保準確感測輸出電流。
5. 電壓感測電阻分壓器：當輸出電壓超過15 V時，通過連接在GPIO 1引腳上的外部電阻分壓器來讀取二次側(cè)電壓。電阻分壓器的比例可由用戶選擇，并在設備參數(shù)中編程以實現(xiàn)正確的輸出電壓調(diào)節(jié)。

啟動與軟啟動

ST - ONEHP配備內(nèi)部HV啟動電路，在初始啟動階段為IC供電。當輸入電壓足夠高時，HV發(fā)生器開始工作，通過HV引腳為連接在PVCC引腳和地之間的電容充電。當PVCC電壓達到啟動閾值時，芯片開始工作，控制邏輯禁用HV發(fā)生器。

軟啟動過程中，一次側(cè)控制器自主執(zhí)行軟啟動，直到二次側(cè)上電并能夠控制開關(guān)。在軟啟動期間，IC以恒定關(guān)斷時間、峰值電流模式運行，用戶可通過連接在OSC引腳和地之間的電阻設置關(guān)斷時間，通過連接在SS引腳的電容設置軟啟動持續(xù)時間。

開關(guān)模式

1. 正常開關(guān)模式：控制器操作非互補有源鉗位轉(zhuǎn)換器，其工作方式類似于傳統(tǒng)的QR反激式轉(zhuǎn)換器，增加了鉗位開關(guān)以回收變壓器漏感中的能量，并實現(xiàn)軟開關(guān)。
2. 跳過模式：為了提高中等負載下的效率，當峰值電流低于可編程值時，控制器進入谷底跳過模式。在跳過模式下，控制器保持峰值電流近似恒定，當頻率低于約20 kHz時，開始降低峰值電流，同時將頻率限制在20 kHz至可編程值之間。
3. 突發(fā)模式：當頻率低于FCK/6500（約20 kHz）時，系統(tǒng)進入突發(fā)模式。在突發(fā)模式下，控制器生成具有可編程峰值電流的脈沖串，脈沖數(shù)量取決于輸出電壓，并可通過參數(shù)編程。當突發(fā)之間的平均時間低于可編程時間時，系統(tǒng)退出突發(fā)模式并恢復正常操作。
4. 特殊電壓轉(zhuǎn)換模式：對于USB - PD等協(xié)議要求在轉(zhuǎn)換器運行時改變輸出電壓的情況，ST - ONEHP提供特殊操作模式，包括放電、強制突發(fā)和有源放電模式，以滿足負電壓轉(zhuǎn)換的特定時序要求。

控制環(huán)路

控制器包括峰值電流模式調(diào)節(jié)環(huán)路以控制輸出電壓。電壓感測通過可編程電阻分壓器連接到內(nèi)部12位ADC實現(xiàn)，根據(jù)目標輸出電壓選擇不同的滿量程范圍。峰值電流模式單元通過二次側(cè)提供的脈沖持續(xù)時間轉(zhuǎn)換為電壓參考，控制一次側(cè)低側(cè)開關(guān)。電壓環(huán)路由數(shù)字PI（Type2）控制器管理，通過設置比例和積分增益來調(diào)整控制性能。

故障管理

ST - ONEHP集成了多種保護功能，以避免在異常或故障條件下對轉(zhuǎn)換器或負載造成損壞。故障模式包括自動重啟、鎖定和條件重啟三種類型。常見的故障保護包括欠壓鎖定（UVLO）、過壓保護（OVP）、過流保護（OCP）、軟啟動超時（SSTO）、過溫保護（POTP）、交流欠壓保護（BO）和X - Cap放電保護（XCD）等。

通信接口與協(xié)議

USB - PD協(xié)議

ST - ONEHP的USB - PD模塊支持USB - PD REV 3.1規(guī)范，提供一個USB - PD電源SOURCE通道，支持EPR（擴展功率范圍）和AVS（可調(diào)電壓供應），并具備Vconn源用于識別電子標記電纜。該模塊還支持發(fā)送OTP和OCP保護警報以及Source_Capability_Extended消息，但不支持PPS模式、USB通信、快速角色交換等功能。

USB - PD物理層

設備包括完整的USB - PD應用物理層，CC引腳可承受高達24 V的電壓。內(nèi)部集成了CC1/2與SVCC之間的開關(guān)，用于提供VCONN，同時具備CC OV比較器以檢測引腳異常電壓。

USB - PD PDO和APDO適應與保護

在連接過程中，源和宿驗證提供和請求的電壓和電流。如果使用的電纜不支持5 A，則所有PDO和APDO中的最大電流將限制為3 A。在二次側(cè)溫度保護的情況下，能力將根據(jù)溫度水平進行修改。

USB - PD警報管理

設備實現(xiàn)了UVP、OVP、OCP等保護功能，并在USBPD消息交換中報告部分警報。同時，對溫度進行驗證和控制，并管理警報消息中的相應位。

過流管理

IC根據(jù)USB - PD標準管理OCP并關(guān)閉負載開關(guān)。OCP水平和行為取決于宿選擇的PDO或APDO。

溫度管理

ST - ONEHP支持二次側(cè)的兩個溫度測量點，內(nèi)部溫度傳感器可讀取0至+150 oC的溫度，精度為TACC。用戶可通過連接外部NTC電阻分壓器定義外部溫度限制，并設置過溫故障（OTP）和警告（WTP）的電壓閾值。在過溫情況下，設備會發(fā)送HARD_RESET消息并限制輸出能力，必要時關(guān)閉Vbus電壓。

設備設置與用戶個性化

用戶可以通過專用的GUI和HW工具設置設備參數(shù)，配置ST - ONEHP的行為。設備設置區(qū)域分為應用設置區(qū)域、應用參數(shù)區(qū)域、USB - PD區(qū)域和電源區(qū)域，數(shù)據(jù)通過CRC32反向多項式保護。默認配置將CC1和CC2引腳作為串行線，用于通過串行接口通信、配置和編程IC。

封裝與訂購信息

ST - ONEHP采用SSOP36L封裝，提供兩種訂購代碼：ST - ONEHP（管裝）和ST - ONEHPTR（卷帶包裝）。

總結(jié)

ST - ONEHP作為一款功能強大的EPR USB - PD電源供應集成控制器，為電子工程師提供了一個全面的解決方案。其高度集成的特性、豐富的保護功能和靈活的配置選項，使得設計高功率密度、高效、安全的充電器和適配器變得更加容易。在實際應用中，工程師需要根據(jù)具體需求仔細選擇外部組件，合理設置控制參數(shù)，并充分利用設備的各種保護功能，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。你在使用ST - ONEHP的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。