跨出传统思维,如何设计一款基于RTQ7880-QT的车载充电器?
发布时间:2020-01-15
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跨出传统思维,如何设计一款基于RTQ7880-QT的车载充电器?
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二战期间,空战激烈,很多飞行员无法返航。为了降低伤亡率,盟军试图对战斗机进行加固处理,在研究了大量返航的战斗机之后,人们发现飞机上的弹痕是这样分布的:

海军分析中心的工作人员看到飞机的弹孔大多集中在机翼和尾部,于是建议对这些受损最严重的地方进行加固处理,而统计学家亚伯拉罕•沃尔德(Abraham Wald) 却从这些数据中得出了一个跟直觉完全相反的结论,他认为机舱和发动机等看似毫发无损的地方更危险,因为这些区域一旦被击中,飞机失事坠毁的事情就很难避免,而统计数据都来源于战斗中幸存下来的飞机,它们并未遭受到致命的袭击。事实证明他的看法才是正确的,按照他的建议实施加固以后的战斗机的坠亡率得到了有效降低。在这个案例中,死掉的数据不会开口讲话,分析结论也就出现了偏差,这种偏差被人们称作“幸存者偏差”。在统计学中,幸存者偏差属于一种逻辑谬误,指的是我们忽略了数据筛选过程中的逻辑陷阱,从而导致了结论的错误。

最近这个问题受到关注,是因为今年的高考题里出现了这个案例:

阅读下面的材料,根据要求写作。(60分)

“二战”期间,为了加强对战机的防护,英美军方调查了作战后幸存飞机上弹痕的分布,决定哪里弹痕多就加强哪里。然而统计学家沃德力排众议,指出更应该注意弹痕少的部位,因为这些部位受到重创的战机,很难有机会返航,而这部分数据被忽略了。事实证明,沃德是正确的。

要求:综合材料内容及含意,选好角度,确定立意,明确文体,自拟标题,不要套作,不得抄袭,不得泄露个人信息;不少于 800 字。

面对这样的题目,假如是我在参加高考,回想自己参加高考时的状态,估计这 60 分要被我得到还是比较难的,不知咱们的读者是否有信心获得高分?

在我看来,现实中的幸存者偏差是很容易出现的。例如,比尔盖茨是退学以后创业成功的,所以有人便推崇退学创业,完全看不到大多数退学创业的人都失败了的事实。有人没有读多少书却取得了商业上的成功,而大部分读了很多书的人却在辛苦打工,于是人们便说读书无用,还是早点经商的好。有人依靠假冒伪劣产品发了财,很多行正道的人却在辛苦工作,于是人们便也投身到假冒伪劣的领域里折腾,完全看不到那些从事假冒伪劣发了财的人只是过去的善业带来的果报在此刻呈现了,今天的假冒伪劣行为正在给他们的未来埋下灾难的种子,早晚一天会有对应的果报现前的。

一个企业看到什么好卖就去做什么不知能否算作是出现了幸存者偏差,但至少去做这样的思考是有价值的。举例而言,市售的车载充电器多半采用 Buck 架构,因为汽车用的蓄电池是 12V 的,最高电压在 16V 左右,而大部分手机需要的电源电压都是 5V,所以采用 Buck 架构就是非常合理的选择,于是 5V 输出的 Buck 架构充电器也就满天飞了,如果有谁在此时要用 Buck-Boost 架构来做车载充电器,看起来就有点不合时宜了,但是现在似乎正是投入精力开发这种产品的时候。

为什么这样说呢?因为汽车正在成为我们呆的时间越来越多的地方,我们在里面使用各种电子设备的机会也越来越多,而它们所要求的电源规格却是各自不同的。以最常用的手机来说,传统的手机用 5V 电源就足够了,但现在具备快充能力的手机则有的使用 9V、12V 或更高的电压,有的则直接通过手机接口对电池进行充电,因而需要使用大约 3V-4.35V 的电压,这时再使用标准的 5V 输出充电器就不能满足需要了。

还有一种很常见的需求是为笔记本电脑供电,传统的做法是先将 12V 直流电源转换为 220V 交流电,再通过电脑本身配有的电源适配器从 220V 交流得到 20V 左右的直流输出为电脑供电,这样的实现不仅转换次数多、构成复杂,能源利用效率也很低,会占用非常紧俏的车内空间,使用成本也很高,携带管理更是麻烦多多。

有没有办法将手机、笔记本电脑的供电问题一次性地解决呢?实际上是有的,只要我们使用比较新的 USB Type-C 型接口和 Buck-Boost 架构的转换器,借助 USB PD 协议来协调充电器和电子设备之间的关系,上述问题便可迎刃而解了,而 RTQ7880-QT 就是用来帮助你完成这一任务的。

按照规范的定义,所有采用 USB Type-C 接口的设备在相互连接的时候都是使用 5V 电压来供电的,供方能够提供的电流大小和需方能够使用的电流大小则由此型接口新增的 CC 端所配置的电阻值来决定,这时容许的最大电流为 3A。如果这两台设备还同时支持全新的 PD 协议,则 CC 线就会成为供需双方之间进行信息交流的通道,接口上能够传输的电压范围就有可能达到 3V-21V,电压调节步进幅度可以小到 20mV,最大支持的电流可以达到 5A,电流限制的调节可以以 150mA 为步进幅度,最大的负载功率可以高达 100W(20V,5A)。由于电压和电流都可以非常精确地进行控制和调节,使用 USB Type-C 接口和 PD 协议的电源实际上就是一台完全自动化的智能电源,因而可以自动适应每一种负载的电源需求,它不仅与我多年来的梦想一致,而且符合全球统一的标准,将来必将一统江湖,造福于全人类,我们再也不用准备多台不同的充电器了。
使用 RTQ7880-QT 制作的电子设备的电路架构如下图所示:

我之所以把此图所代表的东西称为电子设备而没有把它称为智能电源,是因为其中包含有 EC 和 MUX 这两个部分。EC 与 RTQ7880-QT 之间以 I²C 接口进行连接,它的规模大小可以是任意的。MUX 是采用 USB Type-C 接口的电子设备所应该具备的 TX/RX 传输线的切换开关,由 CC1 和 CC2 所侦测到的电缆连接方向信息需要经过处理以后去控制 MUX 的连接方法,以便供需双方之间的通讯线路可以实现正确的连接,确保通讯系统可以正常工作,而这些侦测和控制的事情都可以由 RTQ7880-QT 来完成。假如我们抛开这两个部分不予考虑,剩余的部分就真的是一台智能电源了。

上图中 MOSFET 开关 Q1-Q4 和电感 L1 所构成的电路是 Buck-Boost 转换器的核心部分,它们可以在 RTQ7880-QT 的控制下自动以 Buck 或 Boost 模式工作,无论 VIN 电压高于输出电压或低于输出电压,输出电压都是保持稳定不变的,实现这个任务的控制部分就在 RTQ7880-QT 内部,而它的内部结构是这样的:

其核心是一颗 32 位的 ARM Cortex™-M0 MCU,外围包含了支持 USB Type-C 接口应用、支持 PD 协议、完成 Buck-Boost 转换所需的所有外围接口电路,另外还有可以多次编程的 ROM 和存放临时数据的 SRAM,只要注入软件即可按照预定的程序进行运作。

RTQ7880-QT 可以接受的输入电压范围是 4V-36V,这个范围对于存在发动机启动过程和抛负载效应的车辆应用是非常重要的。车辆应用有一个最大的问题就是可靠性问题,因而有 AEC 针对用于车辆的集成电路所制订的 AEC-Q100 标准,RTQ7880-QT 是通过了这一标准的认证的,认证级别为 Grade 2,也就是说它容许的工作环境温度范围为 -40℃ ~ +105℃,可以在这样的环境之下正常使用至少 15 年。

要在传统的车用充电器所拥有的狭小空间中使用 RTQ7880-QT,PCB 的设计可能会是一个严峻的挑战。考虑到充电器功率已经大幅提升,适当增加一定的空间可能是一个比较合理的选择。这些问题不是由这个器件造成的,起决定作用的是基本的物理规律。为了能顺利完成你的设计过程,而你又缺乏必要的经验,建议你在立锜微信公众号的历史消息里查看一篇名为“ Buck 转换器的 PCB 设计原则”的文章,通过这种阅读或是借助其他资源理解了相关的知识以后再开始后续的工作或许是一个比较好的选择。

立锜科技已经为车内应用准备了众多的产品,如果你对此有兴趣,请点击文末的阅读原文下载相关的产品选择指南。

 

文章来源RichtekTechnology,作者郑刚

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