快充开发利器——STEVAL-USBPD27S评测

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