STPD01首款降壓轉(zhuǎn)換器，用于高效USB-C PD功率級(jí)

STPD01是意法半導(dǎo)體首款可編程DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，適用于高達(dá)60 W的USB-C供電應(yīng)用，也是業(yè)內(nèi)首款提供電纜壓降補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器。工程師只需要使用 I2C 接口，用于使用小增量將其配置為 3 V 至 20 V。它為團(tuán)隊(duì)提供了靈活性和精度，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊、更具成本效益的設(shè)計(jì)。此外，該器件還包括廣泛的輸入電壓和保護(hù)功能。因此，設(shè)計(jì)人員可以簡化和優(yōu)化內(nèi)部操作和布局，以更有效地?cái)U(kuò)展設(shè)計(jì)并縮短上市時(shí)間。

USB-C PD的興起及其固有挑戰(zhàn)

USB 供電和 USB-C 變革性技術(shù)如何？

很難低估USB供電的變革性方面。快速充電現(xiàn)在無處不在，能夠提供高達(dá)更高輸出電壓的能力意味著使用USB端口而不是昂貴而笨重的連接器為產(chǎn)品供電。此外，隨著USB Power Delivery與USB-C一起出現(xiàn)，難怪歐盟要求在消費(fèi)設(shè)備上使用新的連接器，以促進(jìn)互操作性并減少電子廢物。 USB-C PD正在改變消費(fèi)和工業(yè)電子產(chǎn)品，從汽車到顯示器、壁式充電器、電話、遙控器、筆記本電腦、電視等，而這僅僅是個(gè)開始。根據(jù)Future Market Insights的數(shù)據(jù)，到127年，USB Type-C市場(chǎng)將達(dá)到2030億美元。

為什么USB供電迫使工程師采用新設(shè)計(jì)？

挑戰(zhàn)在于工程師必須重新考慮他們的功率級(jí)。以前的USB標(biāo)準(zhǔn)停留在5 V，而USB PD 3.0的電壓高達(dá)20 V，3.1版本則高達(dá)48 V。 因此，設(shè)計(jì)人員必須處理更大的負(fù)載以及源電流和灌電流設(shè)備之間的新通信交換。此外，隨著USB-C PD滲透到更多市場(chǎng)，公司必須找到擴(kuò)展其設(shè)計(jì)以優(yōu)化運(yùn)營的方法。但是，與壁式充電器相比，計(jì)算機(jī)顯示器的功率級(jí)將具有顯著差異。此外，公司必須針對(duì)危險(xiǎn)條件提供更大的保護(hù)，特別是因?yàn)橄M(fèi)者并不總是使用高質(zhì)量的電纜或設(shè)備。

STPD01 提供靈活性

應(yīng)對(duì)可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)的解決方案

公司正在尋求擴(kuò)展其功率級(jí)，以盡可能多地重復(fù)使用其設(shè)計(jì)。因此，STPD01具有6 V至26.4 V的寬輸入范圍，以支持許多不同的應(yīng)用。因此，團(tuán)隊(duì)只需對(duì)ST設(shè)備進(jìn)行一次認(rèn)證，即可在多個(gè)系統(tǒng)中使用它以獲得更大的回報(bào)。團(tuán)隊(duì)熟悉產(chǎn)品，更大的數(shù)量為降低單價(jià)打開了大門。具體來說，這意味著設(shè)計(jì)人員可以在智能手機(jī)、具有多個(gè)端口的壁式充電器以及顯示器的功率級(jí)上工作，并重復(fù)使用STPD01。此外，其簡單的可編程性意味著團(tuán)隊(duì)可以回收他們的一些應(yīng)用程序代碼并為其產(chǎn)品定制值。

雖然輸入電壓范圍很寬，但STPD01不支持3 A以上的應(yīng)用，這就是為什么它的最大功率為60 W，因?yàn)閁SB PD 3.0的電壓不超過20 V。此技術(shù)規(guī)范的原因是所有 USB-C 電纜都支持最大 3 A。 除此之外，電纜必須包括一個(gè)將與源通信的 IC，并具有能夠提供 5 A 的電線。 由于大多數(shù)消費(fèi)類應(yīng)用需要的功率低于60 W，因此STPD01決定瞄準(zhǔn)不需要專用電纜的解決方案， 以提供更好的性價(jià)比。

優(yōu)化挑戰(zhàn)的解決方案

能夠使用 I 對(duì) STPD01 進(jìn)行編程2C 接口還具有使用小增量的能力。電流可在0.1 A至3 A范圍內(nèi)設(shè)置，步長為100 mA。同樣，在3 V至5.9 V范圍內(nèi)，意法半導(dǎo)體器件支持20 mV步進(jìn)，在5.9 V至11 V之間，工程師可以使用100 mV增量，而11 V至20 V之間的輸出電壓可以使用200 mV步進(jìn)進(jìn)行設(shè)置。因此，工程師具有更高的精度，這使他們能夠創(chuàng)建更緊湊的系統(tǒng)。團(tuán)隊(duì)可以創(chuàng)建特定的配置文件并減小某些被動(dòng)組件的大小。

STPD01 提供穩(wěn)健性

銅軌引起的電壓降解決方案

隨著應(yīng)用處理更大的功率，提供強(qiáng)大的解決方案至關(guān)重要。這就是STPD01在提供電纜壓降補(bǔ)償方面獨(dú)樹一幟的原因。簡而言之，STPD01足夠智能，可以將其輸出電壓提高到定義值以上，以補(bǔ)償銅軌或輸出電纜電阻引起的壓降。隨著負(fù)載的增加，該器件會(huì)修改在電壓反饋電阻分壓器高端流動(dòng)的電流，以調(diào)節(jié)負(fù)載電壓。該功能并不新鮮，但工程師必須在外部實(shí)現(xiàn)它。得益于STPF01中的電纜補(bǔ)償，工程師不再需要添加傳感器來監(jiān)控從穩(wěn)壓器輸出到負(fù)載的電壓。

提供更好的保護(hù)的解決方案

STPD01 還包括過壓、過流和過熱保護(hù)。在大多數(shù)情況下，檢測(cè)過壓事件會(huì)使半橋處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到臨界條件通過。此外，在某些情況下，系統(tǒng)會(huì)將輸出電壓重置為5 V。同樣，過流保護(hù)在觸發(fā)時(shí)會(huì)降低電壓。最后，過熱和短路保護(hù)在復(fù)位某些參數(shù)的同時(shí)關(guān)閉高端和低端器件。

STDP01的另一個(gè)特性是時(shí)鐘抖動(dòng)。簡而言之，該機(jī)制使振蕩器的頻率抖動(dòng)以傳播噪聲，降低峰值，從而限制電磁干擾。意法半導(dǎo)體器件抖動(dòng)約5%，限制了EMI輻射，而無需使用大電感或大幅增加開關(guān)損耗。此外，在多端口系統(tǒng)中使用許多STPD01時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)功能有助于分散開關(guān)電流，以避免累積干擾。事實(shí)上，正如意法半導(dǎo)體的參考設(shè)計(jì)所示，STPD01是多端口系統(tǒng)的主要候選者。

從哪里開始？

試驗(yàn)STPD01的最佳方法是獲取STEVAL-2STPD01評(píng)估套件。該板提供兩個(gè) USB-C 端口，每個(gè)端口能夠提供 60 W 的功率，總功率為 120 W。該板使用NUCLEO-G071RB作為其主機(jī)MCU。此外，兩個(gè) TCPP02-M18 提供特殊的 VBUS、CC 和 VCONN 保護(hù)。因此，該評(píng)估套件突出了利用意法半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)建整個(gè)USB-C PD多端口應(yīng)用的能力。我們甚至為STPD01評(píng)估套件STSW-2STPD01提供了軟件包，該套件帶有配置文件和功率共享模塊。因此，工程師可以采用意法半導(dǎo)體的方案，更快地對(duì)固件進(jìn)行編碼。

審核編輯：郭婷