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颠覆传统电源生产模式,一个设计即可实现多种输出规格

时间:2018-03-29 作者:Franklin Zhao 阅读:
随着电力电子的发展,电源产品也逐渐走向智能化。现在,我们可以用一个设计,实现多种输出规格的电源产品。这种颠覆传统的电源生产模式,可以实现节省库存费用、研发费用、安规认证费用以及实现快速响应客户需求等等许多优势……

现在,我们的生活中出现各种各样的智能设备,电源的规格也五花八门,并且市场上出现了诸如快充等新的充电协议。随着电力电子的发展,电源产品也必然逐渐走向智能化。那么现在,我们有没有可能用一个设计,实现多种输出规格的电源产品呢?这样做能带来哪些好处,你又是否想到?

电源方案引入可编程性,所有参数均可在后期设定

日前,继年前发布LYTSwitch6后,PI公司在年后又发布InnoSwitch3-Pro功率变换解决方案。它有几个特点:可编程、可设定、可调整——一个解决方案即可实现多种输出规格。从字面上来,这几个词意思相近,但看完本文,你就能发现它们的差异。

PI公司资深技术培训经理阎金光告诉记者,InnoSwitch3-Pro的Pro代表programmable(可编程)。他谈到:“InnoSwitch3出现已经有很长时间了,主要体现的是高效、元件数目很少。后面加上Pro则是数字可编程的功率变换。这种方案目前在业界还没有看到。”

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阎经理介绍说,InnoSwitch3-Pro是InnoSwitch3的后续产品,在它的基础上加上了I2C数字接口,用来实现恒压、恒流、恒功率AC/DC转换。引入I2C接口,就可以用MCU和InnoSwitch3-Pro进行通信。这样就可以对它进行设定,对输出电压、电流或功率进行调整。除了可以对输出规格进行设定外,它还可以对一些保护功能进行设定,如使能/禁止、关断/自动重启、触发阈值等。

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比如在电源输出短路的情况下,传统的电源一般采用打嗝模式(自动重启动)或锁死关断模式。现在InnoSwitch3-Pro可以设定进行选择,而给电源设计师带来了更大的灵活性。触发阈值包括过压、欠压、过温保护点等,这些都可以设定。“以往IC做好了,这些参数也都设定好了,没有办法更改。现在这些都可以进行后期设定,是非常灵活的一种解决方案。”阎经理补充说。

为MCU提供uVCC引脚稳定供电

同样,InnoSwitch3-Pro采用FluxLink磁感耦合方式进行初次级间的信息交换(好处见《反激式电源效率提升到94%,意味着哪些设计优势?》)。它在初级侧集成了一个功率MOSFET——与以前的电源一样是多模式操作,可以是DCM、QR(准谐振)或CCM工作方式。在次级侧有同步整流驱动,可以充分优化两个开关管的导通时序,而提高效率(最终效率达到94%以上)。MOSFET提供两种选择:650V的成本较低,725V的安全裕量更高,可满足一些较严格的家电应用要求。

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输出由次级侧检测——电压是直接检测,电流是通过电阻直接检测。这样可以得到更好的输出精度。空载功耗可以做到小于30mW。“即使我们采用了交流输入过压/欠压保护电阻(接在高压直流母线上),空载功耗仍可以做到这么低,这得益于我们内部的输入过压、欠压检测电路的精确控制。”

次级侧可以实现精确的输出过压保护(OVP)。SR FET可以进行直接控制,从而增加效率、安全可靠。无论电源工作在什么模式,它都能自动调整开关管的导通时序,从而把效率做到最大化。

电流检测是由次级侧的电阻进行直接检测。控制的输入来自负载端。InnoSwitch3-Pro要和MCU(工程师可自己选择,8位微处理器就足够)配合工作。MCU需要供电。如果供电来自直流输出端,这个电压是变化的,会影响MCU工作(一般是3.3V或5V)。为了保证MCU正常工作,InnoSwitch3-Pro提供uVCC引脚,来为MCU供电(uVCC不受输出电压变化影响)。

编程采用I2C接口,可为Type-C恒功率输出提供精细档位调整

编程接口采用I2C。输出电压和输出电流可以编程,从而实现恒压/恒流/恒功率特性,比如电脑适配器是19V恒压输出,Type-C输出在6V以上要求是恒功率输出(每20mV一档进行调整),这些不同的输出特性都可以利用编程实现。故障触发阈值及响应方式也可以设定,比如可以把过压保护或欠压保护去掉,设定过温保护点等等。

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在Type-C应用中,负载输出端会串联一个MOSFET进去。它接收指令,只有在负载可靠连接时,才会导通。这是因为Type-C要求没有带负载的时候,电源是不能有电压输出的(100W输出很大,若始终有电压输出,会影响触点寿命)。MOSFET分P沟道和N沟道,N沟道更加便宜。考虑到Type-C应用,InnoSwitch3-Pro中加入了N沟道MOSFET驱动。

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除了MOSFET驱动外,它还加入了一个负载放电功能。一旦MOSFET打开后,负载输入端会有残压存在(可能引起触电),在MOSFET关断后,VB/D引脚对电流进行下拉放电。

电源负载可以连接笔记本电脑、平板电脑或者手机。通过连接到负载的USB线,就可以实现和其内部MCU的通信,比如针对Type-C PD的应用,对电压或电流进行10mV/50mA一档的动态调整。另外,保护特性也可以编程设定。

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应用广泛:快充、对不同应用/保护特性可编程、对性能可编程/节省认证费用

InnoSwitch3-Pro应用广泛。首先,它几乎支持任何动态快速电池快充协议,可以配合智能手机、笔记本/膝上电脑/平板电脑、智能音箱(内有MCU)等进行充电。它支持USB PD 3.0 + PPS“load-directed”充电协议。“load-directed”是指输出电压/电流是由负载决定的,而不是像以前那样定死的,比如5V/2A,阎经理强调。以前电源是5V供电,电池是3.6V,二次侧采用降压充电。但电池放空时可能是2.8V左右,这就造成损失(有电压差就有功率损耗)。现在电压可调,这样就不用做二次降压,而可以节省这部分功耗,甚至对提高手机的可靠性都很有帮助。另外,它支持几乎所有充电协议,比如QC4、SCP、FCP、VOOC。

第二,它针对不同应用可编程及不同地区的保护特性可编程。这对多输出电压的镇流器照明应用、DIN-rail(德国工业标准的导轨)电源非常有用。比如,酒店中的LED照明可能有12个或30个灯珠,输出电压不同,它可以现场编程满足不同输出电压。另外,保护特性经过设定可满足各地区特殊要求。“大部分地区都接收短路打嗝保护,但唯独日本要求完全关断。因为以前输出短路保护都是采用一个稳压管,但稳压管打嗝有功耗,会发热,可能烧坏。烧坏后就起不到钳位作用,而可能引起负载烧坏。因此日本要求完全关断不是没有道理。因此,InnoSwitch3-Pro做成同样一个电源,可以设定输出是打嗝保护还是关断保护。电源都不用改变,只要设定程序,即可满足不同地区对电源的特殊需要。”他指出。

第三,对于非充电类应用可对性能进行编程设定。一个电源设计就可以实现多种输出特性(恒压/恒流/恒功率)。这样可以缩短设计时间,降低生产、认证及库存成本。“以前电源工程师在做设计时,首先要满足规格书,比如电压、电流是多少。设计完后要去做认证,因为电源是个有安全要求的产品,必须通过各地区的安全认证,而这方面费用很高。现在既然一个电源可以出来不同的规格,那认证只要做一遍就够了。规格变了不需要做重新认证。另外,电源是个标准品,所有的器件对所有的规格都是一样的,这样也可以节省库存成本。”他补充说。

一个设计满足多种客户需求,且可节省研发成本、只需一次认证、获得快速响应时间……

InnoSwitch3-Pro颠覆了传统的电源生产模式,一个设计可以实现多种客户电源输出规格。如下图A、B、C三种不同的客户需求,在旧有的生产模式要设计三种电源,分别做三次认证,并在三个不同的产线上进行生产。而现在,只要用InnoSwitch3-Pro一个电源进行设定编程,就可以得到不同规格,满足不同客户需求。并且因为只要研发一款电源,也可以节省企业的研发成本,无需重复进行安规认证,获得更快的客户响应时间(放在库房里的电源,甚至老化都可以事先做好,编程之后就可马上出厂)。产品的适应性更加高,库存管理费也得到降低。

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提供模拟到数字的设计工具支持

但是,由于引入了编程性,对于旧有的电源设计工程师来说,需要从原来的全模拟世界走进数字世界。为了帮助他们用InnoSwitch3-Pro设计出产品,PI也开发了用于编程的全面设计支持工具,包括设计指南、程序设计手册、不同微控制器的设计举例,给他们做参考。编程工具包括:完整的API库易于实现基于对象的编程,Doxygen(程序生成器)程序设计工具。(PI技术支持现在也招了一些软件工程师,来帮助客户做一些debug工作。)

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设计范例

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