基于STMicroelectronics EVLONEMP评估板的65W多端口快充设计解析

STMicroelectronics EVLONEMP评估板是一款出色的功率密度USB供电多端口板，设有USB Type-A端口和支持可编程电源 (PPS)的USB Type-C™端口。该设计支持各种输入电压，可在Type-A端口上提供10W功率（5V，2A时），在Type-C端口上提供五个固定PDO和两个APDO。该板基于ST-ONEMP数字控制器，该控制器在单一封装中嵌入了®Arm Cortex® M0+内核、具有同步整流功能的离线可编程控制器以及USB PD PHY。该系统专门设计用于控制ZVS非互补有源钳位反激式转换器，以创建带USB供电接口的高功率密度充电器和适配器。

数据手册：*附件：STMicroelectronics EVLONEMP评估板数据手册.pdf

STMicroelectronics EVLONEMP包括一个有源钳位反激式控制器以及位于一次侧的高压启动。微控制器以及控制转换和USB供电通信所需的所有外设均位于二次侧。两侧通过嵌入式电隔离双通信通道进行连接。结合MasterGaN功率级，可实现高开关操作，从而使用小型磁性元件并实现非常高的效率。

特性

• 通用输入电压范围
  • 90VAC至265VAC
  • 频率：47Hz至63Hz
• 最大输出功率：65W
• 尺寸：58mm x 36mm x 20mm （长 x 宽 x 高）
• 功率密度：26W/in^3^
• 满载效率：>93%
• 恒流输出
  • 3.75A（最大值，USB Type-C端口）
  • USB Type-A端口：2A（最大值）
• 输出电压范围
  • 3.3VDC至21VDC，用于USB Type-C端口
  • 5V DC ，用于USB Type-A端口
• USB Type-C端口上的PD输出（USB Type-A端口上无负载）：
  • 五个固定PDO：5V (3.75A)、9V (3.75A) 、12V (3.75A) 、15V (3.75A) 、20V (3.25A)
  • 两个APDO (PPS)：3.3V至16V (3.75A)、3.3V至21V (3.25A)
• USB Type-C端口上的PD输出（USB Type-A端口上有负载）：
  • 五个固定PDO：5V (3.75A)、9V (3.75A) 、12V (3.75A) 、15V (3.33A) 、20V (2.5A)
  • 两个APDO (PPS )：5V至16V (3.3A)、5V至21V (2.5A)
• CV模式步进为20mV，PPS模式CC步进为50mA
• 反馈环路（恒定电流和恒定电压）
• 掉电、过流、过热、过压和欠压保护

示意图

基于STMicroelectronics EVLONEMP评估板的65W多端口快充设计解析

一、产品核心特性：重新定义功率密度边界

EVLONEMP评估板通过 ‌ 58×36×20mm（L×W×H） ‌ 的紧凑尺寸实现‌65W最大输出功率‌，功率密度高达‌26W/in³‌，并具备以下关键技术指标：

1. ‌宽电压输入‌：90–265V AC（47–63Hz），适配全球电网标准
2. ‌双端口动态功率分配‌：
   • ‌USB Type-C口‌：支持3.3–21V宽电压输出，最大电流3.75A
   • ‌USB Type-A口‌：固定5V/2A输出
3. ‌能效与保护机制‌：
   • 满载效率>93%
   • 集成欠压/过流/过温/过压/褐电保护五重安全设计

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二、架构创新：ST-ONEMP数字控制器与MasterGaN的协同设计

2.1 全球首颗Arm® Cortex®-M0+整合型数字控制器

数据手册显示，该板卡基于‌ST-ONEMP‌数字控制器，首次在单芯片内集成：

• 带同步整流的离线可编程控制器
• USB PD PHY物理层通信
• 基于‌ZVS非互补有源钳位反激拓扑‌，通过内置隔离双通道实现原副边信号传输

2.2 MasterGaN4功率级的关键作用

• 采用‌31V FQFPN封装‌的增强模式GaN半桥
• 高频开关操作（未明确频率值）允许使用小型磁元件
• 配合‌ST715MR高压LDO线性稳压器‌（85mA输入电流能力）实现辅助供电

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三、USB Power Delivery协议的精细实现

3.1 Type-C端口功率配置（无Type-A负载时）

模式类型	电压/电流	协议规格
固定PDO	5V/9V/12V/15V@3.75A, 20V@3.25A	USB PD 3.0
可编程PPS	3.3–16V@3.75A, 3.3–21V@3.25A	20mV步进调压

3.2 双端口同时输出时的智能降功率策略

当Type-A端口加载时，Type-C端口的20V输出自动降为2.5A（50W），同时PPS模式调整为5–21V@2.5A，确保总功率不超过65W限额

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四、硬件设计要点：从原理图到物料选型

4.1 关键元器件布局（基于主板BOM表）

• ‌整流桥‌：Z4GP208L-HF（800V/2A）
• ‌主控芯片‌：ST-ONEMP（SSOP36封装）
• ‌GaN功率级‌：MasterGaN4（5×5mm FQFPN）
• ‌电流检测‌：0.62mΩ精密电阻（ROHM）

4.2 子板USB-A口独立供电设计

• 采用‌MP28167 buck-boost转换器‌（QFN16封装）
• ‌MP5030充电端口控制器‌实现负载检测与功率管理

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五、设计验证与性能优化建议

1. ‌散热设计‌：在58mm长度内需通过PCB铜箔散热结合外部壳体设计
2. ‌EMI抑制‌：
   • 10μH共模扼流圈（CM13090CT-242）
   • 三级π型滤波网络（470nF×2 + 22μF电解电容）
3. ‌动态响应测试‌：需验证PPS模式下的50mA恒流步进与20mV恒压步进响应速度

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六、技术趋势展望

EVLONEMP展示了‌数字化控制+GaN技术‌在高功率密度快充领域的典型应用：

• 传统模拟控制器向可编程数字控制器的迁移
• 高频化（>100kHz）与集成化（单芯片解决原副边控制）成为提升功率密度的关键路径