ST STM32G071K8 USB Type-C兼容27W AC-DC適配器參考設(shè)計(jì)方案詳解

在當(dāng)今快速發(fā)展的消費(fèi)電子市場(chǎng)中，USB Type-C接口憑借其高功率傳輸能力、雙向供電特性以及高度集成的通信協(xié)議，已成為便攜式設(shè)備充電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口。為了滿足市場(chǎng)對(duì)高效、緊湊且符合安全標(biāo)準(zhǔn)的27W USB Type-C適配器的需求，ST意法半導(dǎo)體推出了基于STM32G071K8微控制器的參考設(shè)計(jì)方案。該方案集成了先進(jìn)的電源管理技術(shù)、高效的功率轉(zhuǎn)換電路以及全面的保護(hù)機(jī)制，為適配器設(shè)計(jì)提供了全面且可靠的解決方案。

方案概述

本參考設(shè)計(jì)方案旨在實(shí)現(xiàn)一款支持USB Type-C Power Delivery 3.0協(xié)議及可編程電源（PPS）功能的27W AC-DC適配器。適配器采用緊湊型設(shè)計(jì)，尺寸僅為59x35x21mm，同時(shí)滿足歐洲CoC 5 Tier 2及美國(guó)DOE VI級(jí)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，確保在待機(jī)和滿載條件下均能實(shí)現(xiàn)高效能效。方案核心包括電源原邊部分和副邊數(shù)字控制部分，分別采用STCH03反激式QR準(zhǔn)諧振PWM控制器和STM32G071K8微控制器，共同實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率轉(zhuǎn)換和智能電源管理。

優(yōu)選元器件型號(hào)及作用

1. 微控制器：STM32G071K8

器件作用：STM32G071K8是本方案的核心控制單元，負(fù)責(zé)管理整個(gè)適配器的運(yùn)行，包括電源協(xié)商、電壓電流調(diào)節(jié)、保護(hù)機(jī)制觸發(fā)等關(guān)鍵功能。其高度集成的USB Type-C Power Delivery控制器支持PD3.0協(xié)議和PPS功能，使得適配器能夠智能地與受電設(shè)備進(jìn)行通信，根據(jù)設(shè)備需求動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓和電流。

選擇原因：

• 高性能與低功耗：基于Arm? Cortex?-M0+ 32位RISC內(nèi)核，工作頻率高達(dá)64MHz，同時(shí)支持多種低功耗模式，確保在保持高性能的同時(shí)降低系統(tǒng)功耗。

• 豐富的外設(shè)集成：包括多個(gè)定時(shí)器、ADC、DAC、通信接口等，滿足適配器設(shè)計(jì)中的各種需求，如精確的定時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集、通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)等。

• 安全性能：內(nèi)置存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）和安全功能模塊，支持高級(jí)加密和安全引導(dǎo)功能，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)和代碼的安全性。

• 易于開發(fā)：ST提供了豐富的開發(fā)工具和軟件支持，包括STM32CubeMX配置工具、HAL庫(kù)、中間件等，大大縮短了開發(fā)周期。

功能詳解：

• USB PD協(xié)議棧管理：STM32G071K8集成了完整的USB PD協(xié)議棧，能夠處理與受電設(shè)備的通信，包括PDO協(xié)商、PPS電壓電流調(diào)節(jié)等。

• 電壓電流調(diào)節(jié)：通過(guò)內(nèi)置的DAC和PWM定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電流的精確調(diào)節(jié)，滿足PPS協(xié)議對(duì)分辨率的要求（20mV/50mA）。

• 保護(hù)機(jī)制觸發(fā)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓、電流和溫度等參數(shù)，一旦檢測(cè)到異常立即觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，如過(guò)壓保護(hù)（OVP）、欠壓保護(hù)（UVP）、過(guò)流保護(hù)（OCP）和短路保護(hù)（SCP）等。

2. 反激式QR準(zhǔn)諧振PWM控制器：STCH03

器件作用：STCH03作為電源原邊的控制芯片，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。其采用準(zhǔn)諧振技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化開關(guān)時(shí)序降低開關(guān)損耗，提高整體能效。

選擇原因：

• 高效率與低待機(jī)功耗：STCH03采用先進(jìn)的準(zhǔn)諧振技術(shù)，能夠在不同負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)高效率，同時(shí)空載功耗低于20mW，滿足六級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)。

• 完善的保護(hù)功能：集成過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)等多種保護(hù)機(jī)制，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

• 易于設(shè)計(jì)：通過(guò)光耦反饋實(shí)現(xiàn)恒定輸出電壓和電流調(diào)節(jié)，無(wú)需專用電流基準(zhǔn)IC或電流傳感器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

功能詳解：

• 準(zhǔn)諧振控制：通過(guò)監(jiān)測(cè)變壓器漏感能量和輸出電壓反饋信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整開關(guān)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振工作模式，降低開關(guān)損耗。

• 恒流/恒壓調(diào)節(jié)：支持恒流（CC）和恒壓（CV）兩種輸出模式，通過(guò)光耦反饋實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。

• 保護(hù)機(jī)制：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓、電流和溫度等參數(shù)，一旦檢測(cè)到異常立即關(guān)閉功率MOSFET，防止系統(tǒng)損壞。

3. 功率MOSFET：STD7N65M6

器件作用：STD7N65M6作為電源原邊的功率開關(guān)器件，負(fù)責(zé)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號(hào)，通過(guò)變壓器傳遞給副邊進(jìn)行整流濾波。

選擇原因：

• 低導(dǎo)通電阻：STD7N65M6具有0.91Ω的低導(dǎo)通電阻，降低了導(dǎo)通損耗，提高了整體能效。

• 高耐壓與大電流能力：650V的耐壓能力和6.5A的連續(xù)漏極電流能力，滿足27W適配器對(duì)功率器件的要求。

• 快速開關(guān)速度：快速的開關(guān)速度有助于減少開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）。

功能詳解：

• 電壓轉(zhuǎn)換：在PWM控制信號(hào)的作用下，STD7N65M6將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號(hào)，通過(guò)變壓器傳遞給副邊。

• 散熱設(shè)計(jì)：采用TO-220封裝，便于散熱設(shè)計(jì)，確保在高功率輸出時(shí)器件溫度不會(huì)過(guò)高。

4. 同步整流控制器（集成于STM32G071K8）

器件作用：雖然同步整流控制器在硬件上并未獨(dú)立列出，但其功能由STM32G071K8通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。同步整流技術(shù)通過(guò)控制副邊MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷，替代傳統(tǒng)的二極管整流，從而降低整流損耗，提高能效。

選擇原因：

• 高效率：同步整流技術(shù)相比傳統(tǒng)二極管整流具有更低的導(dǎo)通壓降和更高的轉(zhuǎn)換效率。

• 靈活性：通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)同步整流控制，可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整控制策略，優(yōu)化能效表現(xiàn)。

功能詳解：

• MOSFET驅(qū)動(dòng)：STM32G071K8通過(guò)GPIO口輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)副邊MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。

• 自適應(yīng)算法：采用自適應(yīng)同步整流算法，根據(jù)負(fù)載條件動(dòng)態(tài)調(diào)整MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)最佳能效。

5. 保護(hù)IC：TCPP01-M12

器件作用：TCPP01-M12作為USB Type-C接口的保護(hù)IC，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)CC線路和VBUS引腳上的電壓和電流，防止過(guò)壓、過(guò)流和靜電放電（ESD）等異常情況對(duì)系統(tǒng)造成損害。

選擇原因：

• 全面的保護(hù)功能：集成過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)和ESD保護(hù)等多種功能，確保USB Type-C接口的安全可靠。

• 易于集成：采用緊湊型封裝設(shè)計(jì)，便于在適配器PCB上布局布線。

功能詳解：

• CC線路保護(hù)：監(jiān)測(cè)CC線路上的電壓和電流信號(hào)，一旦檢測(cè)到異常立即觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。

• VBUS引腳保護(hù)：監(jiān)測(cè)VBUS引腳上的電壓和電流信號(hào)，防止過(guò)壓和過(guò)流情況對(duì)系統(tǒng)造成損害。

• ESD保護(hù)：符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受高達(dá)20kV的接觸放電電壓，保護(hù)系統(tǒng)免受靜電放電的影響。

6. 輸出濾波電容與電感

器件作用：輸出濾波電容和電感用于平滑整流后的直流電壓和電流信號(hào)，減少輸出紋波和噪聲干擾。

選擇原因：

• 低ESR與高耐壓：輸出濾波電容應(yīng)具有低等效串聯(lián)電阻（ESR）和高耐壓能力，以確保在高功率輸出時(shí)能夠穩(wěn)定工作。

• 合適的電感值：輸出濾波電感應(yīng)具有合適的電感值，以平衡紋波抑制和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

功能詳解：

• 電容濾波：通過(guò)電容的充放電作用平滑直流電壓信號(hào)，減少輸出紋波。

• 電感濾波：通過(guò)電感的儲(chǔ)能和釋能作用平滑直流電流信號(hào)，減少電流波動(dòng)和噪聲干擾。

方案優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

1. 高效能效

本方案通過(guò)采用先進(jìn)的反激式QR準(zhǔn)諧振技術(shù)和同步整流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效的功率轉(zhuǎn)換和低的待機(jī)功耗。在滿載條件下，適配器的四點(diǎn)平均效率輕松滿足六級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)；在待機(jī)條件下，功耗低于35mW，進(jìn)一步降低了能源消耗。

2. 緊湊型設(shè)計(jì)

適配器PCB尺寸僅為59x35x21mm，實(shí)現(xiàn)了高度的功率密度。這得益于STM32G071K8微控制器和STCH03 PWM控制器的高度集成化設(shè)計(jì)以及優(yōu)化的電路布局布線技術(shù)。緊湊型設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了空間成本，還便于在各類便攜式設(shè)備中集成應(yīng)用。

3. 全面的保護(hù)機(jī)制

本方案集成了過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)和ESD保護(hù)等多種保護(hù)機(jī)制，確保適配器在各種異常情況下均能穩(wěn)定運(yùn)行并防止系統(tǒng)損壞。這些保護(hù)機(jī)制通過(guò)STM32G071K8微控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)和可靠保護(hù)。

4. 靈活的電壓電流調(diào)節(jié)能力

適配器支持USB PD3.0協(xié)議和PPS功能，能夠根據(jù)受電設(shè)備的需求動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓和電流。通過(guò)STM32G071K8微控制器的精確控制，實(shí)現(xiàn)了20mV/50mA的分辨率調(diào)節(jié)能力，滿足了不同設(shè)備對(duì)充電電壓和電流的精確需求。

5. 易于開發(fā)與生產(chǎn)

ST提供了豐富的開發(fā)工具和軟件支持，包括STM32CubeMX配置工具、HAL庫(kù)、中間件等，大大縮短了開發(fā)周期并降低了開發(fā)難度。同時(shí)，方案中的元器件均采用標(biāo)準(zhǔn)化封裝和引腳定義，便于生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化貼裝和測(cè)試驗(yàn)證。

實(shí)際應(yīng)用與展望

本參考設(shè)計(jì)方案已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等便攜式設(shè)備的充電適配器中。其高效能效、緊湊型設(shè)計(jì)、全面的保護(hù)機(jī)制以及靈活的電壓電流調(diào)節(jié)能力使得適配器在市場(chǎng)上具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著USB Type-C接口和PD協(xié)議的進(jìn)一步普及和發(fā)展，本方案的應(yīng)用前景將更加廣闊。

未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的不斷變化，本方案將進(jìn)一步優(yōu)化和升級(jí)。例如，可以采用更先進(jìn)的功率器件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)提高能效和功率密度；可以集成更多的智能功能如無(wú)線充電、快充協(xié)議識(shí)別等來(lái)提升用戶體驗(yàn)；可以加強(qiáng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合來(lái)實(shí)現(xiàn)適配器的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理等。這些優(yōu)化和升級(jí)將使得本方案在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位并持續(xù)為用戶創(chuàng)造價(jià)值。