品能PN913移動(dòng)電源技術(shù)方案深度剖析

　　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)下品能的爆款產(chǎn)品PN913。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

　　品能的PN913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PN913的正反面照片：　

    　先看下PN913的方案：

　　1. MCU軟件控制方式

　　MCU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MCU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)。但既然品能當(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。現(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?，怎么可能不響。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：

　　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。