顛覆傳統(tǒng)電源生產(chǎn)模式,一個(gè)設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)多種輸出規(guī)格
發(fā)布時(shí)間:2018-04-03 來源:Franklin Zhao 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著電力電子的發(fā)展,電源產(chǎn)品也逐漸走向智能化?,F(xiàn)在,我們可以用一個(gè)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)多種輸出規(guī)格的電源產(chǎn)品。這種顛覆傳統(tǒng)的電源生產(chǎn)模式,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省庫存費(fèi)用、研發(fā)費(fèi)用、安規(guī)認(rèn)證費(fèi)用以及實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)客戶需求等等許多優(yōu)勢……
現(xiàn)在,我們的生活中出現(xiàn)各種各樣的智能設(shè)備,電源的規(guī)格也五花八門,并且市場上出現(xiàn)了諸如快充等新的充電協(xié)議。隨著電力電子的發(fā)展,電源產(chǎn)品也必然逐漸走向智能化。那么現(xiàn)在,我們有沒有可能用一個(gè)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)多種輸出規(guī)格的電源產(chǎn)品呢?這樣做能帶來哪些好處,你又是否想到?
電源方案引入可編程性,所有參數(shù)均可在后期設(shè)定
日前,繼年前發(fā)布LYTSwitch6后,PI公司在年后又發(fā)布InnoSwitch3-Pro功率變換解決方案。它有幾個(gè)特點(diǎn):可編程、可設(shè)定、可調(diào)整——一個(gè)解決方案即可實(shí)現(xiàn)多種輸出規(guī)格。從字面上來,這幾個(gè)詞意思相近,但看完本文,你就能發(fā)現(xiàn)它們的差異。
PI公司資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光告訴記者,InnoSwitch3-Pro的Pro代表programmable(可編程)。他談到:“InnoSwitch3出現(xiàn)已經(jīng)有很長時(shí)間了,主要體現(xiàn)的是高效、元件數(shù)目很少。后面加上Pro則是數(shù)字可編程的功率變換。這種方案目前在業(yè)界還沒有看到。”
閻經(jīng)理介紹說,InnoSwitch3-Pro是InnoSwitch3的后續(xù)產(chǎn)品,在它的基礎(chǔ)上加上了I2C數(shù)字接口,用來實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流、恒功率AC/DC轉(zhuǎn)換。引入I2C接口,就可以用MCU和InnoSwitch3-Pro進(jìn)行通信。這樣就可以對(duì)它進(jìn)行設(shè)定,對(duì)輸出電壓、電流或功率進(jìn)行調(diào)整。除了可以對(duì)輸出規(guī)格進(jìn)行設(shè)定外,它還可以對(duì)一些保護(hù)功能進(jìn)行設(shè)定,如使能/禁止、關(guān)斷/自動(dòng)重啟、觸發(fā)閾值等。
比如在電源輸出短路的情況下,傳統(tǒng)的電源一般采用打嗝模式(自動(dòng)重啟動(dòng))或鎖死關(guān)斷模式?,F(xiàn)在InnoSwitch3-Pro可以設(shè)定進(jìn)行選擇,而給電源設(shè)計(jì)師帶來了更大的靈活性。觸發(fā)閾值包括過壓、欠壓、過溫保護(hù)點(diǎn)等,這些都可以設(shè)定。“以往IC做好了,這些參數(shù)也都設(shè)定好了,沒有辦法更改?,F(xiàn)在這些都可以進(jìn)行后期設(shè)定,是非常靈活的一種解決方案。”閻經(jīng)理補(bǔ)充說。
為MCU提供uVCC引腳穩(wěn)定供電
同樣,InnoSwitch3-Pro采用FluxLink磁感耦合方式進(jìn)行初次級(jí)間的信息交換(好處見《反激式電源效率提升到94%,意味著哪些設(shè)計(jì)優(yōu)勢?》)。它在初級(jí)側(cè)集成了一個(gè)功率MOSFET——與以前的電源一樣是多模式操作,可以是DCM、QR(準(zhǔn)諧振)或CCM工作方式。在次級(jí)側(cè)有同步整流驅(qū)動(dòng),可以充分優(yōu)化兩個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)序,而提高效率(最終效率達(dá)到94%以上)。MOSFET提供兩種選擇:650V的成本較低,725V的安全裕量更高,可滿足一些較嚴(yán)格的家電應(yīng)用要求。
輸出由次級(jí)側(cè)檢測——電壓是直接電測,電流是通過電阻直接檢測。這樣可以得到更好的輸出精度??蛰d功耗可以做到小于30mW。“即使我們采用了交流輸入過壓/欠壓保護(hù)電阻(接在高壓直流母線上),空載功耗仍可以做到這么低,這得益于我們內(nèi)部的輸入過壓、欠壓檢測電路的精確控制。”
次級(jí)側(cè)可以實(shí)現(xiàn)精確的輸出過壓保護(hù)(OVP)。SR FET可以進(jìn)行直接控制,從而增加效率、安全可靠。無論電源工作在什么模式,它都能自動(dòng)調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)序,從而把效率做到最大化。
電流檢測是由次級(jí)側(cè)的電阻進(jìn)行直接檢測。控制的輸入來自負(fù)載端。InnoSwitch3-Pro要和MCU(工程師可自己選擇,8位機(jī)就足夠)配合工作。MCU需要供電。如果供電來自直流輸出端,這個(gè)電壓是變化的,會(huì)影響MCU工作(一般是3.3V或5V)。為了保證MCU正常工作,InnoSwitch3-Pro提供uVCC引腳,來為MCU供電(uVCC不受輸出電壓變化影響)。
編程采用I2C接口,可為Type-C恒功率輸出提供精細(xì)檔位調(diào)整
編程接口采用I2C。輸出電壓和輸出電流可以編程,從而實(shí)現(xiàn)恒壓/恒流/恒功率特性,比如電腦適配器是19V恒壓輸出,Type-C輸出在6V以上要求是恒功率輸出(每20mV一檔進(jìn)行調(diào)整)。故障觸發(fā)閾值及響應(yīng)方式也可以設(shè)定,比如可以把過壓保護(hù)或欠壓保護(hù)去掉,設(shè)定過溫保護(hù)點(diǎn)。
在Type-C應(yīng)用中,負(fù)載輸出端會(huì)串聯(lián)一個(gè)MOSFET進(jìn)去。它接收指令,只有在負(fù)載可靠連接時(shí),才會(huì)導(dǎo)通。這是因?yàn)門ype-C要求沒有帶負(fù)載的時(shí)候,電源是不能有電壓輸出的(100W輸出很大,若始終有電壓輸出,會(huì)影響觸點(diǎn)壽命)。MOSFET分P溝道和N溝道,N溝道更加便宜。考慮到Type-C應(yīng)用,InnoSwitch3-Pro中加入了N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)。
除了MOSFET驅(qū)動(dòng)外,它還加入了一個(gè)負(fù)載放電路徑。一旦MOSFET打開后,負(fù)載輸入端會(huì)有輸入電流(可能引起觸電),在MOSFET關(guān)斷后,VB/D引腳對(duì)電流進(jìn)行下拉放電。
電源負(fù)載可以連接筆記本電腦、平板電腦或者手機(jī)。通過連接到負(fù)載的USB線,就可以實(shí)現(xiàn)和其內(nèi)部MCU的通信,比如調(diào)整Type-C PD,10mV/50mA一檔進(jìn)行設(shè)定。另外,保護(hù)特性也可以編程設(shè)定。
應(yīng)用廣泛:快充、對(duì)不同應(yīng)用/保護(hù)特性可編程、對(duì)性能可編程/節(jié)省認(rèn)證費(fèi)用
InnoSwitch3-Pro應(yīng)用廣泛。首先,它幾乎支持任何動(dòng)態(tài)快速電池快充協(xié)議,可以配合智能手機(jī)、筆記本/膝上電腦/平板電腦、智能音箱(內(nèi)有MCU)等進(jìn)行充電。它支持USB PD 3.0 + PPS“load-directed”充電協(xié)議。“load-directed”是指輸出電壓/電流是由負(fù)載決定的,而不是像以前那樣定死的,比如5V/2A,閻經(jīng)理強(qiáng)調(diào)。以前電源是5V供電,電池是3.6V,二次側(cè)采用降壓充電。但電池放空時(shí)可能是2.8V左右,這就造成損失(有電壓差就有功率損耗)?,F(xiàn)在電壓可調(diào),這樣就不用做二次降壓,而可以節(jié)省這部分功耗,甚至對(duì)提高手機(jī)的可靠性都很有幫助。另外,它支持幾乎所有充電協(xié)議,比如QC4、SCP、FCP、VOOC。
第二,它針對(duì)不同應(yīng)用可編程及不同地區(qū)的保護(hù)特性可編程。這對(duì)多輸出電壓的鎮(zhèn)流器照明應(yīng)用、DIN-rail(德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)軌)電源非常有用。比如,酒店中的LED照明可能有12個(gè)或30個(gè)燈珠,輸出電壓不同,它可以現(xiàn)場編程滿足不同輸出電壓。另外,保護(hù)特性經(jīng)過設(shè)定可滿足各地區(qū)特殊要求。“大部分地區(qū)都接收短路打嗝保護(hù),但唯獨(dú)日本要求完全關(guān)斷。因?yàn)橐郧拜敵龆搪繁Wo(hù)都是采用一個(gè)穩(wěn)壓管,但穩(wěn)壓管打嗝有功耗,會(huì)發(fā)熱,可能燒壞。燒壞后就起不到鉗位作用,而可能引起負(fù)載燒壞。因此日本要求完全關(guān)斷不是沒有道理。因此,InnoSwitch3-Pro做成同樣一個(gè)電源,可以設(shè)定輸出是打嗝保護(hù)還是關(guān)斷保護(hù)。電源都不用改變,只要設(shè)定程序即可。”他指出。
第三,對(duì)于非充電類應(yīng)用可對(duì)性能進(jìn)行編程設(shè)定。一個(gè)電源設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)多種輸出特性(恒壓/恒流/恒功率)。第二個(gè)方面是可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間,降低生產(chǎn)、認(rèn)證及庫存成本。“以前電源工程師在做設(shè)計(jì)時(shí),首先要滿足規(guī)格書,比如電壓、電流是多少。設(shè)計(jì)完后要去做認(rèn)證,因?yàn)殡娫词莻€(gè)安全物件,這方面費(fèi)用很高。現(xiàn)在既然一個(gè)電源可以出來不同的規(guī)格,那認(rèn)證只要做一遍就夠了。規(guī)格變了不需要做重新認(rèn)證。另外,電源是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品,所有的器件對(duì)所有的規(guī)格都是一樣的,這樣也可以節(jié)省庫存成本。”他補(bǔ)充說。
一個(gè)設(shè)計(jì)滿足多種客戶需求,且可節(jié)省研發(fā)成本、只需一次認(rèn)證、獲得快速響應(yīng)時(shí)間……
InnoSwitch3-Pro顛覆了傳統(tǒng)的電源生產(chǎn)模式,一個(gè)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多種客戶電源輸出規(guī)格。如下圖A、B、C三種不同的客戶需求,在舊有的生產(chǎn)模式要有三種電源,分別做三次認(rèn)證,并在三個(gè)不同的產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)。而現(xiàn)在,只要用InnoSwitch3-Pro一個(gè)電源進(jìn)行設(shè)定編程,就可以得到不同規(guī)格,滿足不同客戶需求。并且因?yàn)橹灰邪l(fā)一款電源,也可以節(jié)省企業(yè)的研發(fā)成本,無需重復(fù)進(jìn)行安規(guī)認(rèn)證,獲得更快的客戶響應(yīng)時(shí)間(放在庫房里的電源,甚至老化都可以事先做好,編程之后就可馬上出廠)。產(chǎn)品的適應(yīng)性更加高,庫存管理費(fèi)也得到降低。
提供模擬到數(shù)字的設(shè)計(jì)工具支持
但是,由于引入了編程性,對(duì)于舊有的電源設(shè)計(jì)工程師來說,需要從原來的全模擬世界走進(jìn)數(shù)字世界。為了幫助他們用InnoSwitch3-Pro設(shè)計(jì)出產(chǎn)品,PI也開發(fā)了用于編程的全面設(shè)計(jì)支持工具,包括設(shè)計(jì)指南、程序設(shè)計(jì)手冊(cè)、不同微控制器的設(shè)計(jì)舉例,給他們做參考。編程工具包括:完整的API庫易于實(shí)現(xiàn)基于對(duì)象的編程,Doxygen(程序生成器)程序設(shè)計(jì)工具。(PI技術(shù)支持現(xiàn)在也招了一些軟件工程師,來幫助客戶做一些debug工作。)
設(shè)計(jì)范例
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