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品能PN913移動(dòng)電源技術(shù)方案深度剖析

作者: 時(shí)間:2014-04-11 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  大家好!我是來(lái)福。上一次和大家分享了小米移動(dòng)電源方案的一些拙見(jiàn)。很多朋友給出了各不相同的反饋。我對(duì)技術(shù)方案有明確的意見(jiàn),但對(duì)品牌沒(méi)有任何傾向。能挑選出來(lái)評(píng)價(jià)的都是主流品牌和經(jīng)典設(shè)計(jì)。有朋友反饋說(shuō)批評(píng)小米方案的問(wèn)題,是否能做出更好的方案。這可以在QQ里交流。這一次我想說(shuō)下的爆款產(chǎn)品。以下僅代表個(gè)人觀點(diǎn),歡迎批評(píng)指正,技術(shù)交流請(qǐng)加QQ:2952043800

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/236418.htm

  是一個(gè)追求性價(jià)比的產(chǎn)品:10000mAh容量,2.1A/1A兩路輸出,1A輸入,帶液晶屏,售價(jià)69元。看來(lái)是要和小米火拼價(jià)格。為什么這么便宜?我們進(jìn)入產(chǎn)品一探究竟。

  下面是的正反面照片: 

     先看下PN913的方案:

  1. 軟件控制方式

  方案是中國(guó)人創(chuàng)造出來(lái)的,完全沒(méi)有開(kāi)關(guān)電源知識(shí)的愚蠢方案。但凡正規(guī)電源IC企業(yè)都不可能杜撰出方案來(lái)。長(zhǎng)時(shí)間所謂MCU多合一低成本方案把移動(dòng)電源廠商折騰的死去活來(lái)。但既然當(dāng)初用了MCU方案,就只有一條道走到黑,但PN913命中注定也只能成為低成本方案,而無(wú)法登大雅之堂了。我在這里第一次總結(jié)下MCU方案的主要問(wèn)題及背后的原因:

  1 MCU是軟件控制方式,無(wú)法并行處理很多事件。所以在處理保護(hù)、按鍵、充放電環(huán)路控制、顯示、電量計(jì)算、電流電壓檢測(cè)的實(shí)時(shí)性是無(wú)法保證的。同時(shí)一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行需要分解成很多的指令,比如要執(zhí)行一次PWM運(yùn)算都需要幾十個(gè)微秒,試想1微秒的開(kāi)關(guān)周期條件下,幾十個(gè)周期都無(wú)法計(jì)算,一旦發(fā)生負(fù)載變化,或短路,后果不堪設(shè)想。

  2 MCU計(jì)算能力極差,過(guò)去只是用于小家電的控制,應(yīng)用環(huán)境非常簡(jiǎn)單?,F(xiàn)在很多賣到1塊錢的MCU都是幾MHz的頻率,配上8位甚至4位的運(yùn)算,顯然無(wú)法做電源的控制。

  3 MCU由于運(yùn)算速度太低,所以一般MCU方案的典型特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率很低。筆者親眼見(jiàn)到禮品板上的MCU方案只有20kHz的頻率。很多人問(wèn)我為什么很多移動(dòng)電源會(huì)發(fā)出響聲。這么低的頻率,電流紋波大的嚇?biāo)廊耍趺纯赡懿豁?。所以必定?huì)配大電感,體積大,內(nèi)阻高,最后又造成效率低…

  4 MCU是通用器件,根本不是為移動(dòng)電源應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。當(dāng)初采用這種方案,完全是因?yàn)樽非蟮统杀?,并且MCU畢竟具有靈活性,適合各種顯示方式。

  5 MCU外圍資源非常有限,一般配有12位低速ADC。這個(gè)ADC要分時(shí)復(fù)用處理多個(gè)電流采樣,電壓采樣,本身頻率又低,所以完全無(wú)法做電源控制。另外大部分公司用集成的ADC做空載電流檢測(cè)和充電結(jié)束電流檢測(cè),結(jié)果因?yàn)闊o(wú)法做到微伏級(jí)的失調(diào)而告失敗。

  6 MCU直接驅(qū)動(dòng)MOS或加三級(jí)管驅(qū)動(dòng)MOS。由于驅(qū)動(dòng)能力有限,所以開(kāi)關(guān)損耗很大。

  7 電源調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率會(huì)比較差。大電流放電時(shí)輸出電壓低。PN913在帶2A輸出時(shí),輸出電壓只有4.4V。試想電池電壓就有4.2V,有的甚至是4.35V。這種性能極其危險(xiǎn)!

  8 MCU方案輸出相應(yīng)速度極差。PN913測(cè)試出來(lái)在0.1A到1.5A切換時(shí)下沖0.8V,200ms都無(wú)法恢復(fù)。這在正規(guī)電源芯片中是不可能發(fā)生的。

  9 MCU保護(hù)速度非常慢。經(jīng)常需要幾個(gè)毫秒才能對(duì)短路進(jìn)行保護(hù)。

 

 2. 充電

  充電開(kāi)關(guān)頻率200kHz,充電路徑上串聯(lián)了肖特基、50mOhm電阻、40mOhm 電感,所以效率自然很糟糕,1A充電效率87%。目前很多公司可以做到94%的充電效率。換句話說(shuō),PN913的充電損耗是好方案的2倍。

  充電無(wú)法做到適配器自適應(yīng)。也就是如果適配器是500mA輸出,這個(gè)移動(dòng)電源會(huì)直接將適配器輸出拉死。

  當(dāng)然1A的充電能力對(duì)于10000mAh的電池容量來(lái)說(shuō),只能一聲嘆息,讓子彈飛了。目前已經(jīng)出現(xiàn)了快速充電方案,讓充電時(shí)間縮短一半。

  3. 放電

  MCU方案幾個(gè)明顯的現(xiàn)象:MOS輸入信號(hào)上升下降沿時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100ns-200ns,所以開(kāi)關(guān)損耗非常大。開(kāi)關(guān)頻率200kHz,因?yàn)镸CU硬件處理能力太差,甚至無(wú)法在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)完成一次采樣和運(yùn)算。稍有信號(hào)分析和開(kāi)關(guān)電源知識(shí)的人都知道這會(huì)帶來(lái)的災(zāi)難性的結(jié)果。在加2A輸出電流時(shí),輸出電壓掉到了4.4V,非常接近電池電壓4.2V。這是極其危險(xiǎn)的事情!我們看如下的響應(yīng)波形:

  PN913測(cè)試出來(lái)在0.1A到1.5A切換時(shí)下沖0.8V,200ms都無(wú)法恢復(fù)。

  我們?cè)倏纯磳?shí)際測(cè)試的效率:

輸入電壓(V)

輸入電流(A)

輸出電壓(V)

輸出電流(A)

效率(%)

.17

2.83

4.83

2

86

3.97

2.7

4.83

2

86

3.77

3.04

4.83

2

84

3.57

3.27

4.83

2

83

3.37

3.54

4.83

2

81

3.17

3.83

4.83

2

79

  我們可以看出幾個(gè)明顯的問(wèn)題:

  效率不高,在3.2V電池電壓時(shí)效率連79%都不到。效率損失大部分來(lái)自于,功率路徑上電流檢測(cè)電阻50mOhm和20mOhm電感寄生電阻。PN913選擇的是同步的方案。在P/NMOS上還分別并聯(lián)了肖特基二極管提高續(xù)流能力,名義上是同步方案,卻因?yàn)椴捎昧薓CU方案使得MOS上還需要并聯(lián)肖特基,成本反而高了。從效率上講,MCU方案使得本應(yīng)該在90%以上效率的情況下只做到了80%的效率。

  另一方面,電池電壓在3V左右停止對(duì)外輸出。

  4. 輸入輸出電流檢測(cè)及空載檢測(cè)

  2A的輸出路徑上串聯(lián)了兩顆并聯(lián)的100mOhm電阻檢測(cè)輸出電流。1A的輸出路徑上串聯(lián)了一顆100mOhm的電阻檢測(cè)輸出電流。輸入路徑上串聯(lián)了1顆50mOhm的電阻檢測(cè)輸入電流。有人問(wèn)為什么大電流升壓效率不高。50mOhm的檢測(cè)電阻就能帶來(lái)2%的效率損失。之所以選擇這么大的電流檢測(cè)電阻,原因還在于MCU的ADC失調(diào)過(guò)大。目前能做到的最好水平是10mOhm檢測(cè)電阻檢測(cè)出10mA電流。

  5. 手機(jī)智能識(shí)別

  目前實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別功能的產(chǎn)品還不是很多。這是一些品牌用來(lái)宣傳的功能。大概有10%的手機(jī)或平板充電會(huì)有問(wèn)題。追求性價(jià)比的方案當(dāng)然不需要這個(gè)功能。

  6. 過(guò)溫保護(hù)

  沒(méi)有。很多廠家認(rèn)為電池不會(huì)過(guò)溫。但畢竟過(guò)溫保護(hù)是要花成本的,對(duì)于追求性價(jià)比的方案而言省掉過(guò)溫保護(hù)功能。

  7. 采用了P/NMOS雙管集成芯片

  品能PN913是同步方案,選的是外置P/NMOS。但是沒(méi)有外置驅(qū)動(dòng)電路,很可能是MCU直接就驅(qū)動(dòng)了,當(dāng)然是為了省成本,但其實(shí)還必須并聯(lián)兩個(gè)肖特基,所以得不償失。

  8. 電池保護(hù)

  采用了1顆鋰電保護(hù)芯片、2顆MOS做保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)的電池保護(hù)方式。

  9. 同時(shí)充放電

  一顆肖特基管串聯(lián)在輸入和輸出端,用來(lái)做充放電自動(dòng)路徑分配。但是就如大多數(shù)廠家的同時(shí)充放電功能的問(wèn)題一樣,存在插入手機(jī)可能把適配器拉死的可能性。這就是產(chǎn)品的細(xì)節(jié)。另外肖特基串聯(lián)在充電路徑上使得充電效率變得很糟糕。一顆50mOhm檢測(cè)電阻使得效率進(jìn)一步下降。再加上20mOhm的電感寄生電阻,使得充電效率極低。

  10. LCD屏和LED片顯示電量

  LCD是目前提升移動(dòng)電源檔次的重要手段。把成本花在這里,確實(shí)是討好消費(fèi)者。但是問(wèn)題是電量測(cè)量非常不準(zhǔn)。消費(fèi)者長(zhǎng)時(shí)間觀察就可以看到。實(shí)際上目前是有方案可以精確測(cè)量電量的。如果用LCD顯示屏顯示電量百分比的,那顯示精度絕對(duì)要好的。目前已經(jīng)可以做到16位精度的顯示了。

  11. 散熱片

  無(wú)。當(dāng)然對(duì)于MOS外置的方案,散熱要求會(huì)比較低,所以有很多廠家沒(méi)有加散熱片。

  12. 10uH電感

  大部分廠家采用的是10uH電感。原因是MCU處理速度太低,沒(méi)辦法采用高的開(kāi)關(guān)頻率(TI采用的是1.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率)。所以電感值和耐電流值都會(huì)很大,成本也會(huì)相應(yīng)顯著提高。同時(shí)大電感會(huì)帶來(lái)更大的DCR,會(huì)嚴(yán)重降低產(chǎn)品效率最高達(dá)2.5%。這是很多用MCU方案的廠家所完全沒(méi)有考慮到的問(wèn)題。

  13. 保護(hù)

  由于時(shí)間有限。我們僅做了下短路測(cè)試。

  短路電流響應(yīng)波形

  高達(dá)10A的電流,維持3ms時(shí)間。正常的保護(hù)速度是ns級(jí)的。直接跨了幾個(gè)數(shù)量級(jí)了。

  總結(jié):作為一個(gè)拼性價(jià)比的方案,PN913采用了MCU軟件方案,使得整個(gè)方案效率較低,成本也沒(méi)有減少,有些配置省掉以節(jié)約成本。但MCU軟件方案畢竟只是中國(guó)出現(xiàn)的特例,已經(jīng)被正規(guī)的公司所放棄,目前僅存在于禮品移動(dòng)電源市場(chǎng)。抱著對(duì)消費(fèi)者負(fù)責(zé)的態(tài)度,相信品能未來(lái)會(huì)采用真正優(yōu)異的硬件方案,PN913會(huì)成為品能最后一款MCU方案的移動(dòng)電源產(chǎn)品。

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