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快充开发利器——STEVAL-USBPD27S评测
发布时间:2021-07-22
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快充开发利器——STEVAL-USBPD27S评测
发布时间:2021-07-22
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十几年前,手机充电器的功率在5w左右,普通手机电池充满需要两三个小时。电脑的充电器功率一般在100瓦以上,重量重,体积大。随着手机、笔记本电脑等电子产品的快速发展,对充电器的要求也越来越高。不但要功率强,损耗小,效率高,而且要体积小,重量轻,适应性强。因此快充设备越来越受业内的重视,将来会有越来越多的相关产品出现。下面给大家介绍一款优秀的参考设计产品,由意法半导体推出的参考设计STEVAL-USBPD27S评估板。

STEVAL-USBPD27S评估板,额定输出功率27W,符合USB Type-C™Power Delivery 3.0标准,支持电源可编程(PPS)能力。USB PPS有助于节省电能,减少设备充电时间和散热量,降低物料成本。该评估板可加快好用、小巧、高效的快充设备的设计。

STEVAL-USBPD27S开箱

图1

图2

如图1、图2所示,STEVAL-USBPD27S开发套装由简洁的塑料成型包装保护,包含评估板STEVAL-USBPD27S、下载器STLINK-V3MINI以及下载线。

其中,STEVAL-USBPD27S评估板作为USB电源传输设备,具有一个USB Type-C端口,能够支持可编程电源(PPS),并具有自适应同步整流功能。STLINK-V3MINI用于STM32芯片的调试器和编程器。

符合USB Type-C 1.3和PD 3.0规范,并支持PPS功能。PPS能够可靠地调整电池的充电模式,快速充电而不产生不必要的热量,主要针对移动应用,可以降低移动设备电池的温度损失。

相关资料

对于STEVAL-USBPD27S,ST在其官网上提供了非常详细的资料,包括产品介绍、应用说明、用户手册、原理图、GERBER文件、BOM、相应的编辑工具资料以及软件包等等。下图就是相应的资料界面。

图3

功能框图

图4为STEVAL-USBPD27S功能框图,突出显示了主要部分之间的交互关系。

图4

整体架构分为功率部分和数字控制部分两大主体,其中功率部分又分为功率电路和功率控制电路。

功率部分是基于功率MOSFET  STD7N65M6的反激变换器拓扑,相关控制部分由STCH03 PWM控制器实现。STCH03控制器将高性能低压PWM控制器芯片与650 V高压启动单元组合在同一封装中,确保了低引脚数。它可以工作在不同的模式,QR有源模式,跳谷模式和突发模式,以保证在不同的输入电压和输出负载条件下高效率。

数字控制部分用于管理USB电源传输堆栈,控制USB Type-C连接器,启用VBUS和VCONN电源路径,并运行自适应同步整流算法。由于管理USB Type-C连接器的嵌入式UCPD接口和Power Delivery 3.0通信协议,STM32G0提供了额外的集成价值,同时通过其通用的外围设备和功能集控制自适应同步整流。

配套的TCPP01-M2将USB-C连接器连接到MCU,确保最高的鲁棒性,并防止任何破坏性静电放电(ESD)。根据IEC61000-4-2第4级标准,在USB C型连接器配置通道(CC)引脚上提供22 V耐受ESD保护。ESDA15P60确保VBU上高于30 kV的ESD保护。

硬件介绍

图5

由图5可以看出,主PCB承载电源部分,在主PCB上还包括两个子板,一个用于电源控制,一个用于数字控制。

图6为电源部分的照片,为准谐振反激功率开关电路,该电路的目的是将整流后的输入电压转换为稳压直流输出电压。一次侧采用单端拓扑结构,二次侧为一次侧控制器、同步整流功率MOSFET、输出电压调节电路和辅助电压模块提供反馈网络,为其他部件供电。该部分最核心的器件是 N沟道功率MOSFET  STD7N65M6。VDS=650V,RDS(开启)最大=0.99ohmn,ID=5A,可以降低了开关损耗。

图6 电源部分

图7 电源控制板

图8 数字控制板

电源控制板(图7)主要是STCH03 控制器及周边电路,STCH03是一种专为离线准谐振ZVS反激变换器设计的电流模式控制器,为一次侧的控制核心,可以是电源在空载运行期间达到非常低的功耗。

图8为数字控制板,主要由以下几个部分构成:

  • Type-C型连接器
  • STM32G071KBU6N微控制器
  • 基于STL11N3LLH6  MOSFET构成的辅助放电机电路。
  • ESD和USB Type-C的端口保护电路模块TCPP01-M12,该电路模块控制基于STL11N3LLH6的开关。

其中STM32G071KBU6N频率高达64MHz,有2个USB-C PD接口,16路12位ADC ,2路12位DAC。

集成USB Type-C和电力传输接口(UCPD),支持C型USB™ 电缆和连接器规范以及USB电源传输规范;运行USB-PD中间件堆栈(X-CUBE-USB-PD);对适配器进行USB-PD设备策略管理;执行自适应同步校正算法;管理二次侧级,确保总线上的20 mV和50 mA分辨率,以完美实现PPS功能;具有OVP、UVP、OC和短路保护功能。

TCPP01-M12的ESD保护能力能达到±8kV接触放电,±15kV空气放电,除此,在CC 线路上6V过压保护,防止VBUS线路上短路过压,并且具有外部可编程过电压保护。
 
上电实验
上电实验的硬件条件如下:

  • STEVAL-USBPD27S 评估板
  • STM32G071B-DISCO 评估工具
  • STLINK-V3MINI 下载器 
  • 双头Type-C数据线
  • 手机(负载)

图9 上电实验硬件

上电实验有两个内容,一是空载时观测STEVAL-USBPD27S 评估板的输出模式以及相应的电压、电流、功率值,二是带载时观测STEVAL-USBPD27S 评估板的输出电压、电流、功率值。
实验前,将电源线连接到STEVAL-USBPD27S 评估板的交流输入端子CN1上。因为STEVAL-USBPD27S 评估板中已经烧录好了程序,所以STLINK-V3MINI 下载器 这里不使用。
如图10所示,将STM32G071B-DISCO 的Type-C端口连到STEVAL-USBPD27S 评估板的Type-C端口上。图11为STM32G071B-DISCO 显示屏显示的信息。有四种充电模式,图12、图13对应相应模式下当时的电压、电流、功率值。

     


图10  空载连接方式 

图11 四种充电模式
       

 图12  FIXED: 9V / 3A

图13  FIXED: 5V / 3A
A: 3.3-5.9V / 3A
A: 3.3-11V / 3A

选择spy模式,将STM32G071B-DISCO 串接在STEVAL-USBPD27S 和负载之间。连接方式如图14所示。

图14 带载连接方式

图15 带载数据

相应电压、电流在显示屏中显示,如图15所示。

小结
通过对评估板STEVAL-USBPD27S进行测评,可以看出,STEVAL-USBPD27S凝聚了ST的先进技术,是一个高效率和高功率密度,性能强大的产品。可以为客户提供更多设计灵活性,加快快充开发的优秀产品。

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