芯耀
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十幾年前，手機(jī)充電器的功率在5w左右，普通手機(jī)電池充滿需要兩三個(gè)小時(shí)。電腦的充電器功率一般在100瓦以上，重量重，體積大。隨著手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)充電器的要求也越來(lái)越高。不但要功率強(qiáng)，損耗小，效率高，而且要體積小，重量輕，適應(yīng)性強(qiáng)。因此快充設(shè)備越來(lái)越受業(yè)內(nèi)的重視，將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。下面給大家介紹一款優(yōu)秀的參考設(shè)計(jì)產(chǎn)品，由意法半導(dǎo)體推出的參考設(shè)計(jì)STEVAL-USBPD27S評(píng)估板。
STEVAL-USBPD27S評(píng)估板，額定輸出功率27W，符合USB Type-C?Power Delivery 3.0標(biāo)準(zhǔn)，支持電源可編程（PPS）能力。USB PPS有助于節(jié)省電能，減少設(shè)備充電時(shí)間和散熱量，降低物料成本。該評(píng)估板可加快好用、小巧、高效的快充設(shè)備的設(shè)計(jì)。
STEVAL-USBPD27S開(kāi)箱
圖1
圖2
如圖1、圖2所示，STEVAL-USBPD27S開(kāi)發(fā)套裝由簡(jiǎn)潔的塑料成型包裝保護(hù)，包含評(píng)估板STEVAL-USBPD27S、下載器STLINK-V3MINI以及下載線。
其中，STEVAL-USBPD27S評(píng)估板作為USB電源傳輸設(shè)備，具有一個(gè)USB Type-C端口，能夠支持可編程電源（PPS），并具有自適應(yīng)同步整流功能。STLINK-V3MINI用于STM32芯片的調(diào)試器和編程器。
符合USB Type-C 1.3和PD 3.0規(guī)范，并支持PPS功能。PPS能夠可靠地調(diào)整電池的充電模式，快速充電而不產(chǎn)生不必要的熱量，主要針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用，可以降低移動(dòng)設(shè)備電池的溫度損失。
相關(guān)資料
對(duì)于STEVAL-USBPD27S，ST在其官網(wǎng)上提供了非常詳細(xì)的資料，包括產(chǎn)品介紹、應(yīng)用說(shuō)明、用戶手冊(cè)、原理圖、GERBER文件、BOM、相應(yīng)的編輯工具資料以及軟件包等等。下圖就是相應(yīng)的資料界面。
圖3
功能框圖
圖4為STEVAL-USBPD27S功能框圖，突出顯示了主要部分之間的交互關(guān)系。
圖4
整體架構(gòu)分為功率部分和數(shù)字控制部分兩大主體，其中功率部分又分為功率電路和功率控制電路。
功率部分是基于功率MOSFET ?STD7N65M6的反激變換器拓?fù)洌嚓P(guān)控制部分由STCH03 PWM控制器實(shí)現(xiàn)。STCH03控制器將高性能低壓PWM控制器芯片與650 V高壓?jiǎn)?dòng)單元組合在同一封裝中，確保了低引腳數(shù)。它可以工作在不同的模式，QR有源模式，跳谷模式和突發(fā)模式，以保證在不同的輸入電壓和輸出負(fù)載條件下高效率。
數(shù)字控制部分用于管理USB電源傳輸堆棧，控制USB Type-C連接器，啟用VBUS和VCONN電源路徑，并運(yùn)行自適應(yīng)同步整流算法。由于管理USB Type-C連接器的嵌入式UCPD接口和Power Delivery 3.0通信協(xié)議，STM32G0提供了額外的集成價(jià)值，同時(shí)通過(guò)其通用的外圍設(shè)備和功能集控制自適應(yīng)同步整流。
配套的TCPP01-M2將USB-C連接器連接到MCU，確保最高的魯棒性，并防止任何破壞性靜電放電（ESD）。根據(jù)IEC61000-4-2第4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在USB C型連接器配置通道（CC）引腳上提供22 V耐受ESD保護(hù)。ESDA15P60確保VBU上高于30 kV的ESD保護(hù)。
硬件介紹
圖5
由圖5可以看出，主PCB承載電源部分，在主PCB上還包括兩個(gè)子板，一個(gè)用于電源控制，一個(gè)用于數(shù)字控制。
圖6為電源部分的照片，為準(zhǔn)諧振反激功率開(kāi)關(guān)電路，該電路的目的是將整流后的輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓直流輸出電壓。一次側(cè)采用單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二次側(cè)為一次側(cè)控制器、同步整流功率MOSFET、輸出電壓調(diào)節(jié)電路和輔助電壓模塊提供反饋網(wǎng)絡(luò)，為其他部件供電。該部分最核心的器件是 N溝道功率MOSFET ?STD7N65M6。VDS=650V，RDS（開(kāi)啟）最大=0.99ohmn，ID=5A，可以降低了開(kāi)關(guān)損耗。
圖6 電源部分
圖7 電源控制板
圖8 數(shù)字控制板
電源控制板（圖7）主要是STCH03 控制器及周邊電路，STCH03是一種專為離線準(zhǔn)諧振ZVS反激變換器設(shè)計(jì)的電流模式控制器，為一次側(cè)的控制核心，可以是電源在空載運(yùn)行期間達(dá)到非常低的功耗。
圖8為數(shù)字控制板，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：
- Type-C型連接器
- STM32G071KBU6N微控制器
- 基于STL11N3LLH6 ?MOSFET構(gòu)成的輔助放電機(jī)電路。
- ESD和USB Type-C的端口保護(hù)電路模塊TCPP01-M12，該電路模塊控制基于STL11N3LLH6的開(kāi)關(guān)。
其中STM32G071KBU6N頻率高達(dá)64MHz，有2個(gè)USB-C PD接口，16路12位ADC ，2路12位DAC。
集成USB Type-C和電力傳輸接口（UCPD），支持C型USB? 電纜和連接器規(guī)范以及USB電源傳輸規(guī)范；運(yùn)行USB-PD中間件堆棧（X-CUBE-USB-PD）；對(duì)適配器進(jìn)行USB-PD設(shè)備策略管理；執(zhí)行自適應(yīng)同步校正算法；管理二次側(cè)級(jí)，確保總線上的20 mV和50 mA分辨率，以完美實(shí)現(xiàn)PPS功能；具有OVP、UVP、OC和短路保護(hù)功能。
TCPP01-M12的ESD保護(hù)能力能達(dá)到±8kV接觸放電，±15kV空氣放電，除此，在CC 線路上6V過(guò)壓保護(hù)，防止VBUS線路上短路過(guò)壓，并且具有外部可編程過(guò)電壓保護(hù)。
上電實(shí)驗(yàn)
上電實(shí)驗(yàn)的硬件條件如下：
- STEVAL-USBPD27S 評(píng)估板
- STM32G071B-DISCO 評(píng)估工具
- STLINK-V3MINI 下載器
- 雙頭Type-C數(shù)據(jù)線
- 手機(jī)（負(fù)載）
圖9 上電實(shí)驗(yàn)硬件
上電實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)內(nèi)容，一是空載時(shí)觀測(cè)STEVAL-USBPD27S 評(píng)估板的輸出模式以及相應(yīng)的電壓、電流、功率值，二是帶載時(shí)觀測(cè)STEVAL-USBPD27S 評(píng)估板的輸出電壓、電流、功率值。
實(shí)驗(yàn)前，將電源線連接到STEVAL-USBPD27S 評(píng)估板的交流輸入端子CN1上。因?yàn)镾TEVAL-USBPD27S 評(píng)估板中已經(jīng)燒錄好了程序，所以STLINK-V3MINI 下載器 這里不使用。
如圖10所示，將STM32G071B-DISCO 的Type-C端口連到STEVAL-USBPD27S 評(píng)估板的Type-C端口上。圖11為STM32G071B-DISCO 顯示屏顯示的信息。有四種充電模式，圖12、圖13對(duì)應(yīng)相應(yīng)模式下當(dāng)時(shí)的電壓、電流、功率值。
圖10 ?空載連接方式
圖11 四種充電模式
?圖12 ?FIXED: 9V / 3A
圖13 ?FIXED: 5V / 3A
A: 3.3-5.9V / 3A
A: 3.3-11V / 3A
選擇spy模式，將STM32G071B-DISCO 串接在STEVAL-USBPD27S 和負(fù)載之間。連接方式如圖14所示。
圖14 帶載連接方式
圖15 帶載數(shù)據(jù)
相應(yīng)電壓、電流在顯示屏中顯示，如圖15所示。
小結(jié)
通過(guò)對(duì)評(píng)估板STEVAL-USBPD27S進(jìn)行測(cè)評(píng)，可以看出，STEVAL-USBPD27S凝聚了ST的先進(jìn)技術(shù)，是一個(gè)高效率和高功率密度，性能強(qiáng)大的產(chǎn)品。可以為客戶提供更多設(shè)計(jì)靈活性，加快快充開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀產(chǎn)品。
