【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。現(xiàn)在,我們可以用一個設(shè)計,實現(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,可以實現(xiàn)節(jié)省庫存費用、研發(fā)費用、安規(guī)認(rèn)證費用以及實現(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設(shè)計,實現(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。它有幾個特點:可編程、可設(shè)定、可調(diào)整——一個解決方案即可實現(xiàn)多種輸出規(guī)格。從字面上來,這幾個詞意思相近,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進行通信。這樣就可以對它進行設(shè)定,對輸出電壓、電流或功率進行調(diào)整。除了可以對輸出規(guī)格進行設(shè)定外,它還可以對一些保護功能進行設(shè)定,如使能/禁止、關(guān)斷/自動重啟、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(自動重啟動)或鎖死關(guān)斷模式。現(xiàn)在InnoSwitch3-Pro可以設(shè)定進行選擇,而給電源設(shè)計師帶來了更大的靈活性。觸發(fā)閾值包括過壓、欠壓、過溫保護點等,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)在這些都可以進行后期設(shè)定,是非常靈活的一種解決方案。”閻經(jīng)理補充說。
為MCU提供uVCC引腳穩(wěn)定供電
同樣,InnoSwitch3-Pro采用FluxLink磁感耦合方式進行初次級間的信息交換(好處見《反激式電源效率提升到94%,意味著哪些設(shè)計優(yōu)勢?》)。它在初級側(cè)集成了一個功率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。在次級側(cè)有同步整流驅(qū)動,可以充分優(yōu)化兩個開關(guān)管的導(dǎo)通時序,而提高效率(最終效率達到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。”
次級側(cè)可以實現(xiàn)精確的輸出過壓保護(OVP)。SR FET可以進行直接控制,從而增加效率、安全可靠。無論電源工作在什么模式,它都能自動調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時序,從而把效率做到最大化。
電流檢測是由次級側(cè)的電阻進行直接檢測??刂频妮斎雭碜载?fù)載端。InnoSwitch3-Pro要和MCU(工程師可自己選擇,8位機就足夠)配合工作。MCU需要供電。如果供電來自直流輸出端,這個電壓是變化的,會影響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或欠壓保護去掉,設(shè)定過溫保護點。
在Type-C應(yīng)用中,負(fù)載輸出端會串聯(lián)一個MOSFET進去。它接收指令,只有在負(fù)載可靠連接時,才會導(dǎo)通。這是因為Type-C要求沒有帶負(fù)載的時候,電源是不能有電壓輸出的(100W輸出很大,若始終有電壓輸出,會影響觸點壽命)。MOSFET分P溝道和N溝道,N溝道更加便宜??紤]到Type-C應(yīng)用,InnoSwitch3-Pro中加入了N溝道MOSFET驅(qū)動。
除了MOSFET驅(qū)動外,它還加入了一個負(fù)載放電路徑。一旦MOSFET打開后,負(fù)載輸入端會有輸入電流(可能引起觸電),在MOSFET關(guān)斷后,VB/D引腳對電流進行下拉放電。
電源負(fù)載可以連接筆記本電腦、平板電腦或者手機。通過連接到負(fù)載的USB線,就可以實現(xiàn)和其內(nèi)部MCU的通信,比如調(diào)整Type-C PD,10mV/50mA一檔進行設(shè)定。另外,保護特性也可以編程設(shè)定。
應(yīng)用廣泛:快充、對不同應(yīng)用/保護特性可編程、對性能可編程/節(jié)省認(rèn)證費用
InnoSwitch3-Pro應(yīng)用廣泛。首先,它幾乎支持任何動態(tài)快速電池快充協(xié)議,可以配合智能手機、筆記本/膝上電腦/平板電腦、智能音箱(內(nèi)有MCU)等進行充電。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。但電池放空時可能是2.8V左右,這就造成損失(有電壓差就有功率損耗)。現(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,甚至對提高手機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,它針對不同應(yīng)用可編程及不同地區(qū)的保護特性可編程。這對多輸出電壓的鎮(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個或30個燈珠,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,但唯獨日本要求完全關(guān)斷。因為以前輸出短路保護都是采用一個穩(wěn)壓管,但穩(wěn)壓管打嗝有功耗,會發(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做成同樣一個電源,可以設(shè)定輸出是打嗝保護還是關(guān)斷保護。電源都不用改變,只要設(shè)定程序即可。”他指出。
第三,對于非充電類應(yīng)用可對性能進行編程設(shè)定。一個電源設(shè)計就可以實現(xiàn)多種輸出特性(恒壓/恒流/恒功率)。第二個方面是可以縮短設(shè)計時間,降低生產(chǎn)、認(rèn)證及庫存成本。“以前電源工程師在做設(shè)計時,首先要滿足規(guī)格書,比如電壓、電流是多少。設(shè)計完后要去做認(rèn)證,因為電源是個安全物件,這方面費用很高?,F(xiàn)在既然一個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,電源是個標(biāo)準(zhǔn)品,所有的器件對所有的規(guī)格都是一樣的,這樣也可以節(jié)省庫存成本。”他補充說。
一個設(shè)計滿足多種客戶需求,且可節(jié)省研發(fā)成本、只需一次認(rèn)證、獲得快速響應(yīng)時間……
InnoSwitch3-Pro顛覆了傳統(tǒng)的電源生產(chǎn)模式,一個設(shè)計可以實現(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,并在三個不同的產(chǎn)線上進行生產(chǎn)。而現(xiàn)在,只要用InnoSwitch3-Pro一個電源進行設(shè)定編程,就可以得到不同規(guī)格,滿足不同客戶需求。并且因為只要研發(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)進行安規(guī)認(rèn)證,獲得更快的客戶響應(yīng)時間(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,庫存管理費也得到降低。
提供模擬到數(shù)字的設(shè)計工具支持
但是,由于引入了編程性,對于舊有的電源設(shè)計工程師來說,需要從原來的全模擬世界走進數(shù)字世界。為了幫助他們用InnoSwitch3-Pro設(shè)計出產(chǎn)品,PI也開發(fā)了用于編程的全面設(shè)計支持工具,包括設(shè)計指南、程序設(shè)計手冊、不同微控制器的設(shè)計舉例,給他們做參考。編程工具包括:完整的API庫易于實現(xiàn)基于對象的編程,Doxygen(程序生成器)程序設(shè)計工具。(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)計范例
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