ST-ONE：智能充電器的全集成控制器

在電子設備飛速發(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，為智能充電器的設計帶來了新的解決方案。本文將深入剖析ST-ONE的特點、應用、電氣特性以及相關設計要點。

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一、ST-ONE概述

ST-ONE是世界上首款嵌入ARM Cortex M0+內核的數(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。該設備專為控制ZVS非互補有源鉗位反激式轉換器而設計，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可編程的次級側MCU可同時控制同步整流器和初級側的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功率級配合，支持高開關頻率操作，可使用小型磁性元件，包括平面變壓器。
4. 隔離通信：強化的電氣隔離雙通信通道，符合IEC 62368 - 1標準，具備4 kV pk瞬態(tài)電壓、9.6 kV pk 1min耐壓測試和6.4 kV pk 1s耐壓生產測試能力。
5. 高壓啟動：具備800 V高壓啟動功能，集成輸入電壓感應和Brownin/out功能，還有有源輸入濾波電容放電電路，降低待機功耗。
6. 集成保護：集成USB - PD PHY，具備24 V耐受保護和負載開關驅動器。

（二）應用領域

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

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引腳用于高壓啟動和交流電壓感應；POTP引腳用于初級側過溫保護；SS引腳用于軟啟動設置等。詳細的引腳功能可參考數(shù)據表中的引腳功能表。

三、電氣特性

（一）絕對最大額定值

不同引腳有各自的電壓、電流等絕對最大額定值，如HV引腳的電壓范圍為 - 1至800 V，PVCC引腳的初級側電源電壓范圍為 - 0.3至18 V等。超過這些額定值可能會對設備造成永久性損壞。

（二）最大工作條件

在實際應用中，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引腳的初級側電源電壓范圍為 - 0.3至16 V等。

（三）ESD免疫水平

該設備的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

熱阻Rth j - amb為65 °C/W，結溫范圍為 - 40至125 °C，存儲溫度范圍為 - 55至150 °C。

（五）安全數(shù)據

絕緣類型為強化型，具備特定的瞬態(tài)電壓、電氣強度測試值、間隙和爬電距離等安全參數(shù)，符合IEC 62368和UL 1577標準。

（六）電氣特性詳情

涵蓋了初級側和次級側的各種電氣參數(shù)，如電源電壓、啟動電流、過壓保護閾值、過流保護閾值等。例如，初級側電源電壓VPVCCOn的開啟閾值為13 - 15 V，VPVCCOff的關閉閾值為6 - 7 V等。

四、設備操作

（一）典型應用原理圖

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

（二）外部組件選擇

1. 變壓器設計
   • 匝數(shù)比：理想的反激式工作條件是占空比約為50%，匝數(shù)比受初級側開關電壓能力限制?？筛鶕畲筝斎牒洼敵鲭妷哼x擇合適的匝數(shù)比，典型值在寬輸入范圍、20V輸出的USB - PD應用中約為6。
   • 初級側電感和開關頻率：ST-ONE非互補有源鉗位的工作方式與準諧振反激類似，可通過公式計算初級側電感和開關頻率。對于更精確的計算，需考慮鉗位時間和死區(qū)時間。
2. 鉗位電容選擇：建議選擇鉗位電容值，使開關周期的第5階段在高線、高輸出電壓條件下持續(xù)約15%的開關周期。
3. 次級側漏極感應：SRVDS引腳用于感應同步整流MOSFET的漏極電壓，控制其導通和關斷，并實現(xiàn)谷底開關。需使用適當?shù)耐獠裤Q位電路限制引腳電壓在工作范圍內。
4. 次級側電流感測電阻：根據公式選擇合適的電流感測電阻，以滿足全量程范圍要求。

（三）高壓啟動

ST-ONE配備內部高壓啟動電路，在自供電繞組工作之前為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引腳和地之間的外部電容充電。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。

（四）軟啟動

當滿足啟動條件時，初級側控制器自動執(zhí)行軟啟動，直到次級側上電并能夠控制開關。軟啟動期間，IC以恒定關斷時間、峰值電流模式運行，用戶可通過連接電阻設置關斷時間和軟啟動持續(xù)時間。當次級側電壓達到V SVCCON時，次級側IC啟動，接管轉換控制，轉換器進入正常模式。

（五）開關模式

1. 正常開關模式：控制器操作非互補有源鉗位轉換器，其工作方式類似于傳統(tǒng)QR反激，增加了鉗位開關以回收變壓器漏感中的能量，實現(xiàn)軟開關。
2. 跳過模式：為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。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，恢復正常操作。
4. 特殊電壓轉換模式：ST-ONE提供特殊操作模式，用于管理轉換器在輕負載下的負電壓轉換，包括放電、強制突發(fā)和有源放電模式。

（六）控制回路

控制器包括電壓調節(jié)回路和電流調節(jié)回路，用于實現(xiàn)CC/CV模式，以滿足USB - PD PPS模式的要求。

1. 電壓感應：IC通過可編程電阻分壓器和內部12位ADC感應輸出電壓，可根據目標輸出電壓選擇不同的滿量程范圍。
2. 峰值電流模式單元：初級側低側開關以峰值電流模式控制，參考電壓由次級側通過隔離通信通道提供。
3. 電壓回路和電流回路：均由數(shù)字PI控制器管理，可通過設置參數(shù)調整控制增益和截止頻率。

（七）故障管理

IC具備多種保護功能，可避免轉換器或負載在異?；蚬收蠗l件下受損。故障模式包括自動重啟、鎖存和條件重啟，不同故障有不同的處理方式。例如，軟啟動超時、初級側過流保護、過溫保護等。

（八）X電容放電

ST-ONE可監(jiān)測輸入電壓，在檢測到插頭斷開后，通過HV引腳對X電容進行放電，以滿足安全法規(guī)要求。

（九）IC電源

初級側通過3.3 V穩(wěn)壓器為內部電路和數(shù)字I/O供電；次級側由內部LDO為模擬和數(shù)字電路供電，SV3V內部LDO可為外部電路提供高達2 mA的電流，電壓倍增電荷泵為同步整流器提供驅動電壓。

（十）PFC啟用功能

設備可配置為當輸出電壓和/或輸出電流超過可編程值時，在GPIO1上輸出高電平信號，否則輸出低電平信號，可用于提高初級側PFC在低功率條件下的效率。

（十一）次級側控制器

次級側由Cortex M0+核心控制，具有8kB靜態(tài)RAM和64kB可編程閃存代碼內存。還包括參數(shù)內存、SMED等功能模塊，用于實現(xiàn)功率轉換和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源用于識別電子標記電纜。

（二）USB - PD物理層

設備包括完整的USB - PD物理層，CC引腳可承受高達24 V的電壓，內部集成開關用于提供VCONN，還具備CC OV比較器用于檢測異常電壓。

（三）其他功能

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

六、設備設置與用戶個性化

用戶可通過專用GUI和硬件工具設置設備參數(shù)，配置ST-ONE的行為。設備出廠時帶有預定義設置，用戶可通過串口進行更改。設備設置區(qū)域分為應用設置區(qū)、應用參數(shù)區(qū)、USB - PD區(qū)和功率區(qū)，數(shù)據區(qū)域受CRC32反向多項式保護。

七、封裝信息與訂購信息

ST-ONE采用SSOP36L封裝，提供了詳細的封裝機械數(shù)據。訂購時可選擇不同的訂單代碼，如ST-ONE和ST-ONETR。

綜上所述，ST-ONE作為一款功能強大的全集成控制器，為智能充電器的設計提供了高效、可靠的解決方案。電子工程師在設計過程中，需充分了解其特性和參數(shù)，合理選擇外部組件，以實現(xiàn)最佳的性能和穩(wěn)定性。大家在實際應用中是否遇到過類似控制器的設計挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享經驗。