STACF01A/B：高性能AC - DC適配器的理想之選

在當(dāng)今的電子設(shè)備領(lǐng)域，對(duì)于高效、高功率密度電源適配器的需求日益增長。STACF01A和STACF01B這兩款芯片，作為驅(qū)動(dòng)和控制有源鉗位反激（ACF）轉(zhuǎn)換器的佼佼者，為高性能AC - DC適配器的設(shè)計(jì)帶來了新的解決方案。

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一、芯片概述

STACF01A和STACF01B主要用于驅(qū)動(dòng)和控制有源鉗位反激轉(zhuǎn)換器，采用非互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)有源鉗位（高端，HS）開關(guān)。它們專為使用GaN HEMT、功率高達(dá)100W及以上的高性能AC - DC適配器設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。

（一）主要特性

1. 多模式運(yùn)行：能根據(jù)負(fù)載條件無縫切換運(yùn)行模式，在極寬的負(fù)載范圍內(nèi)優(yōu)化效率。包括重載時(shí)的可變頻率模式（VF模式）、中載時(shí)的頻率折返模式（FFBK模式）、輕載時(shí)的壓控頻率模式（VCO模式）以及極輕載或空載時(shí)的突發(fā)模式（BM）。
2. 高頻運(yùn)行與可編程死區(qū)時(shí)間：最高工作頻率可達(dá)500kHz，且死區(qū)時(shí)間可編程，有助于優(yōu)化開關(guān)性能。
3. 自動(dòng)反向電流控制：確保低端開關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS），降低開關(guān)損耗。
4. 零電流檢測(cè)（ZCD）電路：用于檢測(cè)去磁瞬間和設(shè)置過壓保護(hù)（OVP），提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
5. 嵌入式高壓啟動(dòng)和有源X電容放電電路（STACF01A）：實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，并滿足安全法規(guī)要求，減少待機(jī)功耗。
6. 集成式升降壓調(diào)節(jié)器：支持寬輸出電壓范圍，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
7. 超低靜態(tài)電流：使適配器在空載時(shí)的輸入功率極低，符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。
8. 全面的保護(hù)功能：包括過流、過壓、過載、短路、欠壓等保護(hù)，確保系統(tǒng)在各種異常情況下的安全運(yùn)行。
9. 與PFC控制器接口：便于實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，提高電源的整體效率。
10. 雙低端驅(qū)動(dòng)器：可輕松與MasterGaN系列、其他類型的GaN功率IC或半橋驅(qū)動(dòng)器IC配對(duì)使用。

（二）應(yīng)用場(chǎng)景

主要應(yīng)用于基于GaN HEMT的高功率密度和USB PD充電器及適配器，滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)快速充電和小型化的需求。

二、關(guān)鍵參數(shù)與特性

（一）最大額定值與推薦條件

芯片的最大額定值和推薦條件是確保其安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要依據(jù)。例如，高電壓?jiǎn)?dòng)電壓（VHVS）的最大值可達(dá)800V，但推薦工作范圍為 - 0.6V至450V；VCC輸入電流（IVCC）的最大值為25mA等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須嚴(yán)格遵循這些參數(shù)，避免超過芯片的承受能力，導(dǎo)致芯片損壞。

（二）ESD免疫水平

芯片具有一定的靜電放電（ESD）免疫能力，人體模型（HBM）下部分引腳可達(dá)±2kV，特定引腳為±1kV；充電器件模型（CDM）下所有引腳為±500V。在生產(chǎn)和使用過程中，采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施可以有效保護(hù)芯片，提高產(chǎn)品的可靠性。

（三）熱性能

熱阻是衡量芯片散熱能力的重要指標(biāo)，結(jié)到環(huán)境的熱阻（θthj - a）為45°C/W，結(jié)到外殼的熱阻（θthj - c）為3°C/W。合理的散熱設(shè)計(jì)對(duì)于保證芯片在高溫環(huán)境下的正常工作至關(guān)重要。

三、引腳功能詳解

芯片的引腳功能豐富多樣，每個(gè)引腳都在電路中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

1. TBLANK引腳：用于頻率折返編程。通過連接到地的電阻設(shè)置預(yù)設(shè)時(shí)間間隔，隨著負(fù)載降低，插入的消隱時(shí)間增加，從而實(shí)現(xiàn)頻率的降低。
2. PFCRUN引腳：PFC級(jí)控制輸出，可用于啟用或禁用PFC控制器IC，在輕載、保護(hù)功能觸發(fā)或欠壓鎖定（UVLO）時(shí)將引腳拉低。
3. BBSW1和BBSW2引腳：分別連接輔助升降壓轉(zhuǎn)換器的高端開關(guān)源極和低端開關(guān)漏極，與外部電感和二極管配合工作。
4. BBVIN引腳：輔助升降壓轉(zhuǎn)換器的輸入引腳，內(nèi)部連接高端開關(guān)的漏極，外部連接反激變壓器輔助繞組產(chǎn)生的直流電壓。
5. VCC引腳：芯片的供電引腳，同時(shí)也是嵌入式輔助升降壓轉(zhuǎn)換器的輸出引腳。內(nèi)部的欠壓鎖定（UVLO）功能確保在電壓達(dá)到一定閾值時(shí)才啟動(dòng)控制電路。
6. MGEN引腳：用于驅(qū)動(dòng)外部高壓半橋驅(qū)動(dòng)器IC或SiP的啟用/禁用控制輸入，在芯片切換時(shí)提供5V直流電平，不切換時(shí)為0V，有助于降低外部驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)功耗。
7. LS和HS引腳：PWM輸出信號(hào)，分別用于控制低端開關(guān)和高端開關(guān)的柵極。
8. HVS引腳（STACF01A）：高電壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器、交流電壓傳感輸入和X電容放電功能（僅STACF01A）。能承受800V電壓，用于感應(yīng)交流輸入電壓，并在需要時(shí)為VCC引腳充電和放電X電容。
9. DTP引腳：死區(qū)時(shí)間編程引腳，通過連接到地的電阻設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保高端和低端開關(guān)之間有合適的關(guān)斷時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)ZVS。
10. PROT和RCS引腳：通用外部保護(hù)輸入，內(nèi)部由50μA電流源上拉。當(dāng)引腳電壓低于或高于設(shè)定閾值時(shí)，控制器會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，如鎖定關(guān)閉或停止重啟。
11. COMP引腳：二次側(cè)反饋輸入引腳，用于輸出電壓調(diào)節(jié)，其誤差電壓還用于確定芯片的不同運(yùn)行模式。
12. ZCD引腳：多功能引腳，用于感應(yīng)輔助繞組的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PWM增益調(diào)整、過壓保護(hù)、輸入電壓預(yù)測(cè)、去磁檢測(cè)和防止CCM運(yùn)行等功能。
13. CS引腳：電流檢測(cè)引腳，用于電流模式控制，與參考信號(hào)比較確定低端開關(guān)的關(guān)斷時(shí)刻，同時(shí)具備周期電流限制和過流保護(hù)功能。

四、工作模式分析

（一）VF模式（可變頻率模式）

在重載時(shí)，芯片工作在VF模式。每個(gè)開關(guān)周期包括變壓器磁化、去磁和反向電流建立三個(gè)主要時(shí)間段。通過分析這些時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間，可以得到開關(guān)頻率與負(fù)載和輸入電壓的關(guān)系。隨著負(fù)載降低，開關(guān)頻率傾向于增加，輸入電壓對(duì)開關(guān)頻率的影響較為復(fù)雜，受反向電流建立時(shí)間等因素的影響。

（二）FFBK模式（頻率折返模式）

當(dāng)中載時(shí)，為防止開關(guān)頻率過高導(dǎo)致效率快速下降，引入了頻率折返模式。在變壓器去磁和反向電流建立之間插入一個(gè)等待時(shí)間（TWAIT），通過增加消隱時(shí)間（TBLANK）來降低開關(guān)頻率。TBLANK的值是可編程時(shí)間TBASE的倍數(shù)，可根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)整。與傳統(tǒng)的“谷值跳過”技術(shù)相比，該模式能實(shí)現(xiàn)更大幅度的頻率降低。

（三）VCO模式（壓控頻率模式）

在輕載，即進(jìn)入TBLANK5區(qū)域時(shí)，F(xiàn)FBK模式無法進(jìn)一步降低開關(guān)頻率，此時(shí)芯片進(jìn)入VCO模式。開關(guān)頻率與控制電壓VCOMP線性相關(guān)，隨著VCOMP降低，開關(guān)頻率進(jìn)一步減少，以提高輕載時(shí)的效率。

（四）BM模式（突發(fā)模式）

當(dāng)負(fù)載極輕或空載時(shí)，控制電壓VCOMP低于VCOMP_BM，芯片進(jìn)入突發(fā)模式。在該模式下，芯片間歇性工作，包括一系列短的開關(guān)周期和長的空閑周期，大幅降低平均開關(guān)頻率和相關(guān)損耗，滿足節(jié)能要求。在突發(fā)模式下，還會(huì)采取一系列優(yōu)化能量傳輸?shù)拇胧?，如禁用VCO、增加峰值初級(jí)電流參考值和周期性開啟高端開關(guān)等。

五、關(guān)鍵控制與保護(hù)機(jī)制

（一）PWM控制塊

芯片采用峰值電流模式控制方案，通過比較電流檢測(cè)電阻上的電壓與PWM控制塊提供的編程信號(hào)，確定低端開關(guān)的關(guān)斷時(shí)刻。為防止過早關(guān)斷，PWM系統(tǒng)配備前沿消隱（LEB）功能，在軟啟動(dòng)和突發(fā)模式期間，LEB持續(xù)時(shí)間會(huì)適當(dāng)增加。同時(shí)，參考信號(hào)VCSref與控制電壓VCOMP相關(guān)，其增益Gs根據(jù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。

（二）周期電流限制與輸入電壓前饋

電壓檢測(cè)電阻上的電壓不僅與參考信號(hào)VCSref比較，還與另一個(gè)參考信號(hào)VCSX比較，以實(shí)現(xiàn)周期電流限制。VCSX是輸入電壓的函數(shù)，通過輸入電壓前饋功能，可減少最大輸出功率隨輸入電壓的變化。選擇合適的檢測(cè)電阻Rs和前饋電阻RA對(duì)于確保轉(zhuǎn)換器在不同輸入電壓下穩(wěn)定輸出最大功率至關(guān)重要。

（三）去磁檢測(cè)

去磁檢測(cè)塊在芯片的控制架構(gòu)中起著關(guān)鍵作用。通過檢測(cè)ZCD引腳電壓的拐點(diǎn)，確定反激變壓器的去磁時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)高端開關(guān)的開啟、ZVS定時(shí)器的啟動(dòng)、PWM增益的調(diào)整和過壓保護(hù)等功能。為防止干擾，還設(shè)置了時(shí)間窗口和零伏比較器，確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

（四）CCM防止

為防止轉(zhuǎn)換器進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），ZCD引腳配備零伏比較器，通過檢查漏極電壓與DCM運(yùn)行的一致性，確保只有在ZCD引腳電壓為零時(shí)才開啟低端開關(guān)，保證轉(zhuǎn)換器的安全運(yùn)行。

（五）鉗位電容充放電機(jī)制

鉗位電容在ACF轉(zhuǎn)換器中用于臨時(shí)存儲(chǔ)變壓器漏感的能量，一部分用于實(shí)現(xiàn)ZVS。通過分析鉗位電容的充放電過程，可以得到能量傳輸時(shí)間、電壓變化和電荷轉(zhuǎn)移的相關(guān)公式，合理選擇鉗位電容的參數(shù)對(duì)于確保系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

（六）反向電流控制與檢測(cè)

反向電流控制對(duì)于實(shí)現(xiàn)低端開關(guān)的ZVS至關(guān)重要。芯片通過ZVS定時(shí)器控制反向電流建立時(shí)間（TREV），用戶可通過調(diào)整電流檢測(cè)引腳和電阻之間的電阻來微調(diào)反向電流。同時(shí)，反向電流檢測(cè)用于處理可能導(dǎo)致過大反向電流的情況，如短路或輸出電壓突變。當(dāng)檢測(cè)到反向過流時(shí)，會(huì)立即關(guān)閉高端開關(guān)，并調(diào)整死區(qū)時(shí)間，以保護(hù)開關(guān)和降低應(yīng)力。

（七）死區(qū)時(shí)間編程

為實(shí)現(xiàn)低端開關(guān)的ZVS，需要確保高端和低端開關(guān)之間有合適的死區(qū)時(shí)間。理論上，最佳死區(qū)時(shí)間是變壓器初級(jí)電感和漏極電容諧振周期的四分之一。芯片通過DTP引腳連接的電阻來設(shè)置死區(qū)時(shí)間，確保開關(guān)在最佳時(shí)刻開啟，減少開關(guān)損耗和噪聲。

（八）輔助調(diào)節(jié)器

輔助調(diào)節(jié)器采用非反相升降壓轉(zhuǎn)換器，為芯片提供穩(wěn)定的供電電壓（VCC）。它能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，輸出電流至少為15mA，滿足外部高壓半橋HEMT驅(qū)動(dòng)器IC或SiP的需求。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，調(diào)節(jié)器采用固定峰值電流和固定關(guān)斷時(shí)間的控制方式，并根據(jù)輸入電壓調(diào)制開關(guān)頻率。在突發(fā)模式下，調(diào)節(jié)器間歇性工作，使VCC電壓在調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)和重啟閾值之間振蕩。

（九）高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器與線路電壓監(jiān)測(cè)

在芯片啟動(dòng)時(shí)，高壓?jiǎn)?dòng)發(fā)生器為VCC引腳的緩沖電容器充電，使芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)自供電系統(tǒng)能夠?yàn)樾酒╇姇r(shí)，啟動(dòng)發(fā)生器自動(dòng)斷開，以減少待機(jī)功耗。線路電壓監(jiān)測(cè)功能用于檢測(cè)交流欠壓、電源斷開和高端開關(guān)的開啟/關(guān)閉邏輯。通過對(duì)輸入電壓的監(jiān)測(cè)和處理，確保芯片在不同的輸入電壓條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

（十）LDO5V調(diào)節(jié)器與PWM輸出

LDO5V調(diào)節(jié)器為芯片的邏輯電路和PWM輸出提供穩(wěn)定的5V供電電壓。PWM輸出用于驅(qū)動(dòng)外部高壓半橋驅(qū)動(dòng)器，連接到離散GaN HEMT或SiP設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的精確控制。

（十一）軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)功能在轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)或故障重啟時(shí)，逐步增加周期電流限制設(shè)定點(diǎn)，減少對(duì)功率組件的應(yīng)力，使輸出電壓平穩(wěn)上升。在軟啟動(dòng)結(jié)束后，會(huì)進(jìn)行一系列的參數(shù)調(diào)整，如減少LEB持續(xù)時(shí)間、啟用過載保護(hù)和調(diào)整定時(shí)器等。

（十二）X電容放電功能（STACF01A）

STACF01A具備X電容放電功能，通過檢測(cè)AC電源插頭的斷開，利用高壓?jiǎn)?dòng)電路對(duì)EMI濾波器的X電容進(jìn)行放電，滿足安全法規(guī)要求。該功能避免了傳統(tǒng)放電電阻帶來的功率損耗問題，提高了系統(tǒng)的效率。

（十三）保護(hù)功能

芯片具備全面的保護(hù)功能，包括過壓保護(hù)（OVP）、過載保護(hù)（OLP）、二級(jí)過流保護(hù)（OCP2）、交流欠壓保護(hù)、通用保護(hù)輸入等。每種保護(hù)功能都有相應(yīng)的檢測(cè)機(jī)制和處理規(guī)則，能夠有效應(yīng)對(duì)各種故障情況，確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

六、封裝與訂購信息

芯片采用QFN 5x5封裝，提供不同的包裝形式，如托盤和卷帶包裝。用戶可以根據(jù)自己的生產(chǎn)需求選擇合適的訂購代碼。

總結(jié)

STACF01A和STACF01B芯片憑借其豐富的功能、出色的性能和全面的保護(hù)機(jī)制，為高性能AC - DC適配器的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的支持。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，需要深入理解芯片的工作原理和關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)具體的應(yīng)用需求合理選擇電路參數(shù)和保護(hù)策略，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、安全的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。希望廣大工程師在實(shí)際應(yīng)用中充分發(fā)揮這兩款芯片的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造出更加優(yōu)秀的電子產(chǎn)品。你在使用STACF01A/B芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解！