STNRG328S 數(shù)字控制器：高效電源轉(zhuǎn)換的理想選擇

在電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)領(lǐng)域，工程師們一直在尋找能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定且功能豐富的解決方案。意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）推出的 STNRG328S 數(shù)字控制器，為 STC/HSTC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了出色的性能和靈活性。今天咱們就來深入聊聊這款芯片。

文件下載：stnrg328s.pdf

一、產(chǎn)品特色

多功能集成

STNRG328S 是一款專門為 STC/HSTC 拓?fù)湓O(shè)計(jì)的數(shù)字控制器，支持 2:1 至 10:1 的寬轉(zhuǎn)換比，能輸出多種不同的電壓，滿足多樣化的應(yīng)用需求。它的狀態(tài)機(jī)事件驅(qū)動(dòng)（SMED）機(jī)制實(shí)現(xiàn)了一系列關(guān)鍵控制功能，像電流限制與熱插拔控制器的結(jié)合，能有效保護(hù)電路；還可進(jìn)行轉(zhuǎn)換比控制、PWM 頻率和死區(qū)時(shí)間管理，確保零電流檢測（ZCD）功能的穩(wěn)定運(yùn)行，此外還具備軟啟動(dòng)控制、驅(qū)動(dòng)器管理和溫度控制等特性。

應(yīng)用廣泛

其典型應(yīng)用場景為服務(wù)器的 DC/DC 中間總線生成，輸入電壓范圍為 40V 至 60V，輸出功率范圍在 200W 到 2kW 之間。這使得它在服務(wù)器電源等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。

豐富外設(shè)

芯片配備了 10 位 ADC、UART 接口、I2C 主設(shè)備快/慢速度速率接口以及多個(gè) GPIO 引腳，方便與外部設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，它擁有 Flash 和 EEPROM 存儲(chǔ)器，支持讀 - 寫（RWW）和糾錯(cuò)碼（ECC）功能，保障數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)。其中，程序存儲(chǔ)器為 32KB 的 Flash，數(shù)據(jù)在 55°C 下經(jīng)過 1000 個(gè)周期后，數(shù)據(jù)保留時(shí)間可達(dá) 20 年；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為 1KB 的真數(shù)據(jù) EEPROM，在 55°C 且經(jīng)過 85°C 下 1000 個(gè)周期后，數(shù)據(jù)保留時(shí)間同樣為 20 年；還有 6KB 的 RAM，為程序運(yùn)行提供了充足的空間。

高溫度適應(yīng)性

STNRG328S 的工作溫度范圍為 -40°C 至 105°C，能適應(yīng)較為惡劣的工作環(huán)境，確保在不同溫度條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。其采用的 VFQFPN32 5x5mm 封裝，體積小巧，便于 PCB 布局設(shè)計(jì)。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

核心控制

STNRG328S 的核心是 SMED，它能生成六個(gè)獨(dú)立的 PWM 信號(hào)，并且可以對(duì)內(nèi)部和外部事件做出反應(yīng)，無需軟件干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的演變。SMED 由一個(gè) CPU 監(jiān)督器（STM8 微控制器）進(jìn)行配置，同時(shí)借助 E2PROM、Flash 和 RAM 存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和代碼程序。意法半導(dǎo)體專門為其設(shè)計(jì)了固件，用于配置 SMED，以適應(yīng) STC/HSTC 應(yīng)用。

通信與監(jiān)控

芯片通過多功能雙向 GPIO 實(shí)現(xiàn)通信和監(jiān)控功能，這些 GPIO 設(shè)計(jì)堅(jiān)固，具有抗電流注入能力。同時(shí)還具備快速數(shù)字輸入 DIGIN，可配置上拉電阻；UART 異步通信支持 SW 流量控制和引導(dǎo)加載程序；I2C 主/從設(shè)備快/慢速度速率接口；以及一個(gè)可連續(xù)采樣多達(dá) 6 個(gè)通道的順序 ADC。

電源管理與保護(hù)

為了確保高效運(yùn)行，STNRG328S 具備電源管理功能，能夠提供多種低功耗模式。同時(shí)，它擁有一套完整的保護(hù)機(jī)制，包括安全的讀寫寄存器訪問保護(hù)和過溫保護(hù)。內(nèi)部 PLL 提供 96MHz 的時(shí)鐘，用于高頻操作和生成精確的 PWM 信號(hào)。該芯片既可以采用 5V 供電，也可以使用 3.3V 供電，為設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

三、固件功能

STNRG328S 配備了一個(gè)交鑰匙軟件包，以二進(jìn)制文件的形式提供，用于配置 SMED 以適應(yīng)全范圍轉(zhuǎn)換比的 STC/HSTC 拓?fù)?。同時(shí)，它提供 PMBUS 通信接口，可用于外部編程參數(shù)和 STC/HSTC 控制。其固件架構(gòu)包含以下幾個(gè)重要功能模塊：

主控制

負(fù)責(zé)管理事件機(jī)在開關(guān)活動(dòng)或穩(wěn)定模式下的狀態(tài)，控制 PWM 頻率，檢查故障條件，觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，并初始化設(shè)備的外設(shè)。

SMED 初始化

設(shè)置狀態(tài)的初始條件，確保啟動(dòng)后能獲得初始的 PWM 頻率和死區(qū)時(shí)間。

PMBUS

初始化 I2C 通信，并處理符合 PMBUS 協(xié)議的讀寫命令。

ZCD 矩陣

在 RAM 和 E2PROM 中定義 ZCD 板配置中使用的頻率和死區(qū)時(shí)間，并根據(jù)輸入電壓進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，定義了 ZCD 表的讀寫和搜索功能。

實(shí)用規(guī)范

根據(jù)所選的開關(guān)類型實(shí)現(xiàn)軟件請(qǐng)求。

E2PROM

定義存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器（NVM）中的可編程參數(shù)和結(jié)構(gòu)。

LIB

包含訪問設(shè)備寄存器的變量。

中斷

安排 ADC 序列并處理相關(guān)操作，設(shè)置每個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的超時(shí)時(shí)間，在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)通過 I2C 報(bào)告錯(cuò)誤，為每個(gè) ADC 轉(zhuǎn)換序列收集 7 個(gè)樣本，處理 PMBUS 命令與 I2C 之間的數(shù)據(jù)字節(jié)，檢測 ENABLES 引腳的高低電平以打開或關(guān)閉設(shè)備，檢測欠壓、Vdrive 欠壓和過壓等事件。

四、引腳說明

引腳布局

文檔詳細(xì)展示了 STNRG328S 的引腳布局（如圖 3 所示），每個(gè)引腳都有特定的功能和用途。

引腳功能

1. 電源引腳：數(shù)字部分使用 VDD 和 VSS 供電（STC 應(yīng)用中通常為 3.3V），模擬部分使用 VDDA 和 VSSA 供電（同樣通常為 3.3V），并且需要對(duì) VDD 和 VDDA 進(jìn)行正確濾波，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。
2. EFUSE_Enable 引腳：由 SMED PWM4 通道輸出控制，正常情況下為高電平，使 EFUSE 電路處于激活狀態(tài)；當(dāng)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制時(shí)，引腳電平變?yōu)榈碗娖?，禁?EFUSE 電路。
3. PGOOD 引腳：配置為開漏輸出，在軟啟動(dòng)結(jié)束后延遲幾毫秒上升。高電平表示 STC 開啟且輸出電壓穩(wěn)定，低電平表示 STC 關(guān)閉。
4. DIGIN[5] 和 DIGIN[3_2] 引腳：配置為數(shù)字輸入，連接到 PWM0 通道的輸出，作為 SMED2/3 狀態(tài)機(jī)的輸入，用于在 DT1 和 DT2 引腳生成死區(qū)時(shí)間信號(hào)。
5. I2C_ADDR1 和 I2C_ADDR2 引腳：配置為帶有內(nèi)部上拉電阻的模擬輸入，用于選擇設(shè)備的特定 I2C 地址。有四種可能的組合，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行配置。
6. VOUT_OVP、VDRV_Prot、VOUT_UVP 和 VOUT_Efuse 引腳：分別用于檢測 MOSFET 柵極電源的危險(xiǎn)低電平、輸出欠壓保護(hù)（UVP）、過壓保護(hù)（OVP）以及 EFuse/熱插拔的過流保護(hù)。當(dāng)檢測到異常時(shí)，SMED 狀態(tài)機(jī)將觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。
7. SelCfgBoard 引腳：通過軟件選擇與連接到該引腳的電阻分壓器的電平電壓相對(duì)應(yīng)的板配置，有多種不同的配置可供選擇，以滿足不同的應(yīng)用需求。
8. ADC 通道輸入引腳：包括 TEMP、VOUT_Efuse、ZCD2、ZCD1、VOUT 和 VIN 等引腳，用于采樣相應(yīng)的模擬信號(hào)，如溫度、輸出電壓、零電流檢測信號(hào)等。
9. SelMasterSlave 引腳：用于選擇主/從配置，有兩種不同的配置選項(xiàng)，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。
10. SMB_ALERT 引腳：配置為開漏模式的 GPIO 模擬輸出，當(dāng)有故障觸發(fā)時(shí)，該引腳會(huì)發(fā)出信號(hào)。
11. PMBUS 協(xié)議支持：STNRG328S 支持 PMBUS 通信協(xié)議，通過 I2C 主機(jī)可以向設(shè)備發(fā)送和接收 PMBUS 命令。文檔中詳細(xì)列出了支持的 PMBUS 命令及其功能，包括打開/關(guān)閉 STC、清除故障、讀寫保護(hù)等。

五、電氣特性與注意事項(xiàng)

電氣特性

文檔對(duì) STNRG328S 的電氣特性進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括絕對(duì)最大額定值、工作條件、電源電流、引腳負(fù)載電容、引腳輸出電壓等。例如，電源電壓范圍為 -0.3V 至 6.5V，輸入電壓在 VSS - 0.3V 至 VDD + 0.3V 之間，要注意避免超過這些額定值，否則可能會(huì)對(duì)設(shè)備造成永久性損壞。

注意事項(xiàng)

在使用 STNRG328S 時(shí)，還需要注意一些事項(xiàng)。比如，在選擇外部電容器時(shí)要考慮其容值、ESR（等效串聯(lián)電阻）和 ESL（等效串聯(lián)電感）等參數(shù)。Vref 引腳需要連接一個(gè)外部電容器 Cvref 來穩(wěn)定主調(diào)節(jié)器，同時(shí)要確保串聯(lián)電感小于 15nH。另外，對(duì)于未使用的輸入引腳，不要讓其浮空，以免引入干擾信號(hào)。

六、總結(jié)

STNRG328S 數(shù)字控制器以其豐富的功能、高效的性能和靈活的配置，為 STC/HSTC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。它不僅在功能上滿足了多種應(yīng)用的需求，而且在穩(wěn)定性和可靠性方面也表現(xiàn)出色。不過在使用過程中，工程師需要充分了解其電氣特性和注意事項(xiàng)，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和參數(shù)配置，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些與芯片相關(guān)的問題呢？不妨一起交流探討一下。