ST-ONEHP：EPR USB - PD电源供应的集成控制器解决方案

在电子设备的电源供应领域，不断追求更高的功率密度、效率和安全性是永恒的目标。ST - ONEHP作为一款专为EPR USB - PD电源供应设计的全集成控制器，为工程师们提供了一个强大而灵活的解决方案。本文将深入剖析ST - ONEHP的特性、应用、电气参数以及设计要点，帮助电子工程师更好地理解和应用这款产品。

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产品概述

ST - ONEHP是ST - ONE®系列的一员，它是世界上首款嵌入ARM Cortex M0 +内核的数字控制器，集同步整流、USB PD PHY于一体。该设备旨在控制ZVS非互补有源钳位反激式转换器，以创建具有EPR兼容USB - PD接口的高功率密度充电器和适配器。

特性亮点

1. 高效控制架构：采用ZVS非互补有源钳位反激式控制器，搭配同步整流技术，结合USB - PD 3.1 EPR和AVS接口，实现高效的功率转换。
2. 强大的MCU支持：内置ARM® 32位Cortex® - M0 + MCU，拥有64 kB闪存，用于数字电源控制和USB协议处理。
3. 灵活的二次侧控制：可通过固件编程的二次侧MCU同时控制同步整流器和一次侧的ZVS有源钳位反激，在各种条件下提高系统效率。
4. 高频操作能力：与MasterGaN功率级配合，可实现高开关频率操作，允许使用小型磁性元件，包括平面变压器。
5. 隔离通信通道：具备符合IEC 62368 - 1标准的强化电隔离双通信通道，提供4 kV pk瞬态电压、9.6 kV pk 1min耐压测试和6.4 kV pk 1s耐压生产测试。
6. 高电压启动与保护：支持800 V高电压启动，集成输入电压感应和Brown - in/out功能，同时具备有源输入滤波电容器放电电路，降低待机功耗。
7. 集成USB - PD PHY：集成24 V耐受保护的USB - PD PHY和负载开关驱动器。

应用场景

ST - ONEHP适用于功率超过100 W的USB - PD 3.1 EPR充电器和适配器，可用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等设备。

电气参数与性能

引脚功能与连接

ST - ONEHP共有36个引脚，每个引脚都有特定的功能。例如，HV引脚用于高电压启动和交流电压感应，POTP引脚用于一次侧过温保护，SS引脚用于软启动设置等。详细的引脚功能可参考数据手册中的表格。

电气额定值

数据手册中给出了ST - ONEHP的绝对最大额定值和最大工作条件，包括电压、电流、电容等参数的限制。例如，HV引脚的电压范围为 - 1至800 V，PVCC引脚的一次侧电源电压范围为 - 0.3至18 V等。在设计时，必须确保设备在这些额定值范围内工作，以避免损坏。

ESD免疫水平

该设备的所有引脚在HBM模式下可承受±2 kV的静电放电，在CDM模式下可承受±500 V的静电放电，具有较好的ESD防护能力。

热数据

ST - ONEHP的热阻为65 °C/W，结温范围为 - 40至125 °C，存储温度范围为 - 55至150 °C。在设计散热方案时，需要考虑这些热参数，以确保设备在正常工作温度范围内运行。

安全数据

符合IEC 62368和UL 1577等标准的绝缘安全数据，包括绝缘类型、瞬态电压、电气强度测试、间隙和爬电距离等参数。此外，还提供了X - Cap放电安全数据，确保在电源断开时对输入电容进行安全放电。

电气特性

数据手册中详细列出了ST - ONEHP在不同条件下的电气特性，如一次侧和二次侧的电源电压、供电电流、高电压启动特性、X - Cap放电特性、交流欠压/过压保护、过温保护、软启动特性、过压保护、过流保护、突发模式等。这些特性为工程师在设计电路时提供了重要的参考依据。

设计要点

典型应用原理图

ST - ONEHP是一款高度集成的IC，只需少量外部组件即可构建完整的系统。一次侧需要连接交流全波整流器、PFC（可选）、半桥功率级、钳位电容和辅助绕组电源；二次侧需要连接同步整流FET、共源共栅FET、负载开关驱动电路、电流感测电阻、电荷泵电路、钳位FET和电压感测电阻分压器等。

外部组件选择

1. 变压器设计：变压器的匝数比和一次侧电感是关键参数。匝数比应根据最大输入和输出电压以及一次侧开关的电压承受能力来选择，典型的140W、28V输出USB - PD EPR应用的匝数比约为4至4.5。一次侧电感与开关频率的关系可通过公式计算，对于高频转换器，还需考虑钳位时间和死区时间。
2. 钳位电容选择：钳位电容的值决定了开关周期中第5阶段电容与变压器漏感之间的谐振周期。建议选择合适的钳位电容值，使第5阶段在高线、高输出电压条件下约占开关周期的15%。
3. 二次侧漏极感测：SRVDS引脚用于感测同步整流器的漏极电压，以控制同步整流MOSFET的导通和关断，并实现谷底开关。需要使用适当的外部钳位电路来限制引脚电压在工作范围内。
4. 二次侧电流感测电阻：二次侧电流感测的满量程范围为25 mV，电流感测电阻应根据公式选择，以确保准确感测输出电流。
5. 电压感测电阻分压器：当输出电压超过15 V时，通过连接在GPIO 1引脚上的外部电阻分压器来读取二次侧电压。电阻分压器的比例可由用户选择，并在设备参数中编程以实现正确的输出电压调节。

启动与软启动

ST - ONEHP配备内部HV启动电路，在初始启动阶段为IC供电。当输入电压足够高时，HV发生器开始工作，通过HV引脚为连接在PVCC引脚和地之间的电容充电。当PVCC电压达到启动阈值时，芯片开始工作，控制逻辑禁用HV发生器。

软启动过程中，一次侧控制器自主执行软启动，直到二次侧上电并能够控制开关。在软启动期间，IC以恒定关断时间、峰值电流模式运行，用户可通过连接在OSC引脚和地之间的电阻设置关断时间，通过连接在SS引脚的电容设置软启动持续时间。

开关模式

1. 正常开关模式：控制器操作非互补有源钳位转换器，其工作方式类似于传统的QR反激式转换器，增加了钳位开关以回收变压器漏感中的能量，并实现软开关。
2. 跳过模式：为了提高中等负载下的效率，当峰值电流低于可编程值时，控制器进入谷底跳过模式。在跳过模式下，控制器保持峰值电流近似恒定，当频率低于约20 kHz时，开始降低峰值电流，同时将频率限制在20 kHz至可编程值之间。
3. 突发模式：当频率低于FCK/6500（约20 kHz）时，系统进入突发模式。在突发模式下，控制器生成具有可编程峰值电流的脉冲串，脉冲数量取决于输出电压，并可通过参数编程。当突发之间的平均时间低于可编程时间时，系统退出突发模式并恢复正常操作。
4. 特殊电压转换模式：对于USB - PD等协议要求在转换器运行时改变输出电压的情况，ST - ONEHP提供特殊操作模式，包括放电、强制突发和有源放电模式，以满足负电压转换的特定时序要求。

控制环路

控制器包括峰值电流模式调节环路以控制输出电压。电压感测通过可编程电阻分压器连接到内部12位ADC实现，根据目标输出电压选择不同的满量程范围。峰值电流模式单元通过二次侧提供的脉冲持续时间转换为电压参考，控制一次侧低侧开关。电压环路由数字PI（Type2）控制器管理，通过设置比例和积分增益来调整控制性能。

故障管理

ST - ONEHP集成了多种保护功能，以避免在异常或故障条件下对转换器或负载造成损坏。故障模式包括自动重启、锁定和条件重启三种类型。常见的故障保护包括欠压锁定（UVLO）、过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、软启动超时（SSTO）、过温保护（POTP）、交流欠压保护（BO）和X - Cap放电保护（XCD）等。

通信接口与协议

USB - PD协议

ST - ONEHP的USB - PD模块支持USB - PD REV 3.1规范，提供一个USB - PD电源SOURCE通道，支持EPR（扩展功率范围）和AVS（可调电压供应），并具备Vconn源用于识别电子标记电缆。该模块还支持发送OTP和OCP保护警报以及Source_Capability_Extended消息，但不支持PPS模式、USB通信、快速角色交换等功能。

USB - PD物理层

设备包括完整的USB - PD应用物理层，CC引脚可承受高达24 V的电压。内部集成了CC1/2与SVCC之间的开关，用于提供VCONN，同时具备CC OV比较器以检测引脚异常电压。

USB - PD PDO和APDO适应与保护

在连接过程中，源和宿验证提供和请求的电压和电流。如果使用的电缆不支持5 A，则所有PDO和APDO中的最大电流将限制为3 A。在二次侧温度保护的情况下，能力将根据温度水平进行修改。

USB - PD警报管理

设备实现了UVP、OVP、OCP等保护功能，并在USBPD消息交换中报告部分警报。同时，对温度进行验证和控制，并管理警报消息中的相应位。

过流管理

IC根据USB - PD标准管理OCP并关闭负载开关。OCP水平和行为取决于宿选择的PDO或APDO。

温度管理

ST - ONEHP支持二次侧的两个温度测量点，内部温度传感器可读取0至+150 ºC的温度，精度为TACC。用户可通过连接外部NTC电阻分压器定义外部温度限制，并设置过温故障（OTP）和警告（WTP）的电压阈值。在过温情况下，设备会发送HARD_RESET消息并限制输出能力，必要时关闭Vbus电压。

设备设置与用户个性化

用户可以通过专用的GUI和HW工具设置设备参数，配置ST - ONEHP的行为。设备设置区域分为应用设置区域、应用参数区域、USB - PD区域和电源区域，数据通过CRC32反向多项式保护。默认配置将CC1和CC2引脚作为串行线，用于通过串行接口通信、配置和编程IC。

封装与订购信息

ST - ONEHP采用SSOP36L封装，提供两种订购代码：ST - ONEHP（管装）和ST - ONEHPTR（卷带包装）。

总结

ST - ONEHP作为一款功能强大的EPR USB - PD电源供应集成控制器，为电子工程师提供了一个全面的解决方案。其高度集成的特性、丰富的保护功能和灵活的配置选项，使得设计高功率密度、高效、安全的充电器和适配器变得更加容易。在实际应用中，工程师需要根据具体需求仔细选择外部组件，合理设置控制参数，并充分利用设备的各种保护功能，以确保系统的稳定运行。你在使用ST - ONEHP的过程中遇到过哪些挑战？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。