ST-ONE：智能充電器的全集成控制器

在電子設(shè)備飛速發(fā)展的今天，充電器的性能和效率愈發(fā)重要。ST-ONE作為一款全集成控制器，為智能充電器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的解決方案。本文將深入剖析ST-ONE的特點(diǎn)、應(yīng)用、電氣特性以及相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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一、ST-ONE概述

ST-ONE是世界上首款嵌入ARM Cortex M0+內(nèi)核的數(shù)字控制器，它將同步整流、USB PD PHY等功能集成在單一封裝中。該設(shè)備專(zhuān)為控制ZVS非互補(bǔ)有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)，旨在創(chuàng)建具有USB - PD接口的高功率密度充電器和適配器。

（一）主要特性

1. 高效控制：采用ZVS非互補(bǔ)有源鉗位反激式控制器，具備同步整流和USB - PD 3.1 PPS接口，配合ARM? 32位Cortex? - M0+ MCU和64 kB閃存，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源控制和USB協(xié)議處理。
2. 優(yōu)化效率：FW可編程的次級(jí)側(cè)MCU可同時(shí)控制同步整流器和初級(jí)側(cè)的ZVS有源鉗位反激，在各種條件下提高系統(tǒng)效率。
3. 高頻操作：與MasterGaN功率級(jí)配合，支持高開(kāi)關(guān)頻率操作，可使用小型磁性元件，包括平面變壓器。
4. 隔離通信：強(qiáng)化的電氣隔離雙通信通道，符合IEC 62368 - 1標(biāo)準(zhǔn)，具備4 kV pk瞬態(tài)電壓、9.6 kV pk 1min耐壓測(cè)試和6.4 kV pk 1s耐壓生產(chǎn)測(cè)試能力。
5. 高壓啟動(dòng)：具備800 V高壓?jiǎn)?dòng)功能，集成輸入電壓感應(yīng)和Brownin/out功能，還有有源輸入濾波電容放電電路，降低待機(jī)功耗。
6. 集成保護(hù)：集成USB - PD PHY，具備24 V耐受保護(hù)和負(fù)載開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

適用于功率高達(dá)100 W的USB - PD充電器和適配器，可用于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和其他手持設(shè)備。

二、引腳連接與功能

ST-ONE采用SSOP36 0.8mm間距封裝，各引腳具有特定功能。例如，HV引腳用于高壓?jiǎn)?dòng)和交流電壓感應(yīng)；POTP引腳用于初級(jí)側(cè)過(guò)溫保護(hù)；SS引腳用于軟啟動(dòng)設(shè)置等。詳細(xì)的引腳功能可參考數(shù)據(jù)表中的引腳功能表。

三、電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

不同引腳有各自的電壓、電流等絕對(duì)最大額定值，如HV引腳的電壓范圍為 - 1至800 V，PVCC引腳的初級(jí)側(cè)電源電壓范圍為 - 0.3至18 V等。超過(guò)這些額定值可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

（二）最大工作條件

在實(shí)際應(yīng)用中，還需考慮最大工作條件，如HV引腳的工作電壓范圍為 - 1至450 V，PVCC引腳的初級(jí)側(cè)電源電壓范圍為 - 0.3至16 V等。

（三）ESD免疫水平

該設(shè)備的HBM模式下所有引腳的ESD免疫水平為±2 kV，CDM模式下為±500 V。

（四）熱數(shù)據(jù)

熱阻Rth j - amb為65 °C/W，結(jié)溫范圍為 - 40至125 °C，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 55至150 °C。

（五）安全數(shù)據(jù)

絕緣類(lèi)型為強(qiáng)化型，具備特定的瞬態(tài)電壓、電氣強(qiáng)度測(cè)試值、間隙和爬電距離等安全參數(shù)，符合IEC 62368和UL 1577標(biāo)準(zhǔn)。

（六）電氣特性詳情

涵蓋了初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的各種電氣參數(shù)，如電源電壓、啟動(dòng)電流、過(guò)壓保護(hù)閾值、過(guò)流保護(hù)閾值等。例如，初級(jí)側(cè)電源電壓VPVCCOn的開(kāi)啟閾值為13 - 15 V，VPVCCOff的關(guān)閉閾值為6 - 7 V等。

四、設(shè)備操作

（一）典型應(yīng)用原理圖

ST-ONE是高度集成的IC，構(gòu)建完整系統(tǒng)所需的外部組件較少。初級(jí)側(cè)包括交流全波功率整流器、整流二極管、集成半橋功率級(jí)或柵極驅(qū)動(dòng)器 + FET、鉗位電容和輔助繞組電源；次級(jí)側(cè)包括同步整流FET、共源共柵FET、N溝道MOSFET、感測(cè)電阻和電荷泵電路。

（二）外部組件選擇

1. 變壓器設(shè)計(jì)
   • 匝數(shù)比：理想的反激式工作條件是占空比約為50%，匝數(shù)比受初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)電壓能力限制?？筛鶕?jù)最大輸入和輸出電壓選擇合適的匝數(shù)比，典型值在寬輸入范圍、20V輸出的USB - PD應(yīng)用中約為6。
   • 初級(jí)側(cè)電感和開(kāi)關(guān)頻率：ST-ONE非互補(bǔ)有源鉗位的工作方式與準(zhǔn)諧振反激類(lèi)似，可通過(guò)公式計(jì)算初級(jí)側(cè)電感和開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于更精確的計(jì)算，需考慮鉗位時(shí)間和死區(qū)時(shí)間。
2. 鉗位電容選擇：建議選擇鉗位電容值，使開(kāi)關(guān)周期的第5階段在高線、高輸出電壓條件下持續(xù)約15%的開(kāi)關(guān)周期。
3. 次級(jí)側(cè)漏極感應(yīng)：SRVDS引腳用于感應(yīng)同步整流MOSFET的漏極電壓，控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，并實(shí)現(xiàn)谷底開(kāi)關(guān)。需使用適當(dāng)?shù)耐獠裤Q位電路限制引腳電壓在工作范圍內(nèi)。
4. 次級(jí)側(cè)電流感測(cè)電阻：根據(jù)公式選擇合適的電流感測(cè)電阻，以滿(mǎn)足全量程范圍要求。

（三）高壓?jiǎn)?dòng)

ST-ONE配備內(nèi)部高壓?jiǎn)?dòng)電路，在自供電繞組工作之前為IC供電。當(dāng)輸入電壓足夠高時(shí)，HV發(fā)生器開(kāi)始工作，通過(guò)HV引腳為連接在PVCC引腳和地之間的外部電容充電。當(dāng)PVCC電壓達(dá)到啟動(dòng)閾值時(shí)，芯片開(kāi)始工作，控制邏輯禁用HV發(fā)生器。

（四）軟啟動(dòng)

當(dāng)滿(mǎn)足啟動(dòng)條件時(shí)，初級(jí)側(cè)控制器自動(dòng)執(zhí)行軟啟動(dòng)，直到次級(jí)側(cè)上電并能夠控制開(kāi)關(guān)。軟啟動(dòng)期間，IC以恒定關(guān)斷時(shí)間、峰值電流模式運(yùn)行，用戶(hù)可通過(guò)連接電阻設(shè)置關(guān)斷時(shí)間和軟啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)次級(jí)側(cè)電壓達(dá)到V SVCCON時(shí)，次級(jí)側(cè)IC啟動(dòng)，接管轉(zhuǎn)換控制，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入正常模式。

（五）開(kāi)關(guān)模式

1. 正常開(kāi)關(guān)模式：控制器操作非互補(bǔ)有源鉗位轉(zhuǎn)換器，其工作方式類(lèi)似于傳統(tǒng)QR反激，增加了鉗位開(kāi)關(guān)以回收變壓器漏感中的能量，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。
2. 跳過(guò)模式：為提高中等負(fù)載下的效率，當(dāng)峰值電流低于可編程值時(shí)，控制器進(jìn)入谷底跳過(guò)模式。在此模式下，控制器保持峰值電流近似恒定，若頻率低于約20 kHz，控制器開(kāi)始降低峰值電流，同時(shí)將頻率限制在20 kHz至可編程值之間。
3. 突發(fā)模式：當(dāng)頻率低于Fck/6500（約20 kHz）時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)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。當(dāng)突發(fā)之間的平均時(shí)間低于可編程時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)退出突發(fā)模式，恢復(fù)正常操作。
4. 特殊電壓轉(zhuǎn)換模式：ST-ONE提供特殊操作模式，用于管理轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下的負(fù)電壓轉(zhuǎn)換，包括放電、強(qiáng)制突發(fā)和有源放電模式。

（六）控制回路

控制器包括電壓調(diào)節(jié)回路和電流調(diào)節(jié)回路，用于實(shí)現(xiàn)CC/CV模式，以滿(mǎn)足USB - PD PPS模式的要求。

1. 電壓感應(yīng)：IC通過(guò)可編程電阻分壓器和內(nèi)部12位ADC感應(yīng)輸出電壓，可根據(jù)目標(biāo)輸出電壓選擇不同的滿(mǎn)量程范圍。
2. 峰值電流模式單元：初級(jí)側(cè)低側(cè)開(kāi)關(guān)以峰值電流模式控制，參考電壓由次級(jí)側(cè)通過(guò)隔離通信通道提供。
3. 電壓回路和電流回路：均由數(shù)字PI控制器管理，可通過(guò)設(shè)置參數(shù)調(diào)整控制增益和截止頻率。

（七）故障管理

IC具備多種保護(hù)功能，可避免轉(zhuǎn)換器或負(fù)載在異?；蚬收蠗l件下受損。故障模式包括自動(dòng)重啟、鎖存和條件重啟，不同故障有不同的處理方式。例如，軟啟動(dòng)超時(shí)、初級(jí)側(cè)過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等。

（八）X電容放電

ST-ONE可監(jiān)測(cè)輸入電壓，在檢測(cè)到插頭斷開(kāi)后，通過(guò)HV引腳對(duì)X電容進(jìn)行放電，以滿(mǎn)足安全法規(guī)要求。

（九）IC電源

初級(jí)側(cè)通過(guò)3.3 V穩(wěn)壓器為內(nèi)部電路和數(shù)字I/O供電；次級(jí)側(cè)由內(nèi)部LDO為模擬和數(shù)字電路供電，SV3V內(nèi)部LDO可為外部電路提供高達(dá)2 mA的電流，電壓倍增電荷泵為同步整流器提供驅(qū)動(dòng)電壓。

（十）PFC啟用功能

設(shè)備可配置為當(dāng)輸出電壓和/或輸出電流超過(guò)可編程值時(shí)，在GPIO1上輸出高電平信號(hào)，否則輸出低電平信號(hào)，可用于提高初級(jí)側(cè)PFC在低功率條件下的效率。

（十一）次級(jí)側(cè)控制器

次級(jí)側(cè)由Cortex M0+核心控制，具有8kB靜態(tài)RAM和64kB可編程閃存代碼內(nèi)存。還包括參數(shù)內(nèi)存、SMED等功能模塊，用于實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換和USB - PD通信。

五、通信接口

（一）USB - PD協(xié)議

ST-ONE的USB - PD模塊支持一個(gè)USB - PD電源SOURCE通道，符合USB - PD REV 3.1規(guī)范，具備PPS功能，支持多種PDO和APDO配置，還可提供Vconn源用于識(shí)別電子標(biāo)記電纜。

（二）USB - PD物理層

設(shè)備包括完整的USB - PD物理層，CC引腳可承受高達(dá)24 V的電壓，內(nèi)部集成開(kāi)關(guān)用于提供VCONN，還具備CC OV比較器用于檢測(cè)異常電壓。

（三）其他功能

包括PDO和APDO的適配與保護(hù)、警報(bào)管理、過(guò)流管理和溫度管理等功能，可確保USB - PD通信和電源供應(yīng)的穩(wěn)定性和安全性。

六、設(shè)備設(shè)置與用戶(hù)個(gè)性化

用戶(hù)可通過(guò)專(zhuān)用GUI和硬件工具設(shè)置設(shè)備參數(shù)，配置ST-ONE的行為。設(shè)備出廠時(shí)帶有預(yù)定義設(shè)置，用戶(hù)可通過(guò)串口進(jìn)行更改。設(shè)備設(shè)置區(qū)域分為應(yīng)用設(shè)置區(qū)、應(yīng)用參數(shù)區(qū)、USB - PD區(qū)和功率區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)域受CRC32反向多項(xiàng)式保護(hù)。

七、封裝信息與訂購(gòu)信息

ST-ONE采用SSOP36L封裝，提供了詳細(xì)的封裝機(jī)械數(shù)據(jù)。訂購(gòu)時(shí)可選擇不同的訂單代碼，如ST-ONE和ST-ONETR。

綜上所述，ST-ONE作為一款功能強(qiáng)大的全集成控制器，為智能充電器的設(shè)計(jì)提供了高效、可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需充分了解其特性和參數(shù)，合理選擇外部組件，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能和穩(wěn)定性。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似控制器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享經(jīng)驗(yàn)。