如何設(shè)計(jì)一個(gè)拯救銀河系的充電器

作者簡(jiǎn)介

本文是第一屆電力電子科普征文大賽的二等獎(jiǎng)作品，作者：吳韜，來(lái)自臺(tái)達(dá)電子。

吳工姓吳，做了快20年的工程師，因?yàn)椴煌Ｓ型鹿?yīng)商客戶喊自己“吳工”，雖然老大不情愿但眾口鑠金只好半推半就的接受了這個(gè)稱呼。

吳工的主業(yè)是做電源。每次千辛萬(wàn)苦地做出一個(gè)產(chǎn)品，興高采烈地拿到客戶那里介紹……

客戶卻總是一副見(jiàn)多識(shí)廣不以為然的樣子… ...

吳工想扭轉(zhuǎn)這一局面，決定拿同事設(shè)計(jì)的一款充電器改造一下。這個(gè)產(chǎn)品是2017年面世，是當(dāng)時(shí)世界上最小的60W充電器。

為了能普及一下電源知識(shí)讓大家了解下產(chǎn)品設(shè)計(jì)的艱辛，同時(shí)也兼顧文理科觀眾的欣賞能力和知識(shí)層次，吳工畫了個(gè)通俗易懂的教程，因?yàn)椴皇菍I(yè)畫家的緣故，畫風(fēng)粗糙還請(qǐng)見(jiàn)諒了。

學(xué)過(guò)高中物理的朋友都知道，墻上插座的電是220V 50Hz。

50Hz的意思就是它從高到低，再?gòu)牡偷礁?，每秒鐘重?fù)50次。

那么問(wèn)題來(lái)了，我們手機(jī)筆記本充電，只要5V到20V的直流電壓, 220V太高了，怎么辦？

對(duì)的，我們得用變壓器。如果變壓器把220V 50Hz頻率的電壓變成低的電壓，那么變壓器1秒鐘要傳遞50次能量。

如果讓變壓器工作的頻率更快一點(diǎn)，假設(shè)需要傳遞總能量不變，那么變壓器每次工作只要傳遞很少的能量就可以了，變壓器就能變小，充電器也能變小了。

這看起來(lái)很完美，但是能量的傳遞每送一次總會(huì)有些損失，工作次數(shù)越多，丟的也越多。

這些多余的損耗會(huì)變成熱散發(fā)出去，效率會(huì)變差，電源體積反而不能縮小，因?yàn)闆](méi)有足夠的面積去散熱了。

于是工程師設(shè)計(jì)出各種線路去減少損失，

或者升級(jí)成性能更好的器件，減少浪費(fèi)，提高效率。

雖然這些都增加了電路的復(fù)雜度和成本，但是提高了效率，電源滿負(fù)荷工作也不會(huì)發(fā)熱燙手了。

不過(guò)新問(wèn)題又來(lái)了！待機(jī)休眠的時(shí)候，雖然不會(huì)發(fā)熱了，可電源仍然按照很高的頻率辛勤工作著，效率會(huì)很低。

也許您可能不在乎那些電費(fèi)，但是國(guó)家都有對(duì)待機(jī)功耗都有要求，如果超過(guò)要求，是不能賣的。

這又逼著工程師設(shè)計(jì)新電路，讓充電器在設(shè)備休眠的時(shí)候間歇性的工作，減少損耗。

但是問(wèn)題又來(lái)了，間歇性的工作會(huì)產(chǎn)生噪音，容易被人耳接收到，影響用戶體驗(yàn)。

工程師還要想方設(shè)法減少噪音分貝：讓間歇工作的頻率不要落在人耳能提到的音頻范圍內(nèi)；減少每次工作時(shí)候的能量；變壓器加膠等等。

你以為這樣就大功告成了嗎？問(wèn)題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些……

比方說(shuō)，因?yàn)楣ぷ黝l率高，工作太賣力，常常有能量會(huì)跑到臨近家用電器上，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)干擾到人家的正常工作。

這也是國(guó)家質(zhì)量強(qiáng)制認(rèn)證CCC法規(guī)不允許的。

為阻擋紅杏出墻的能量，工程師又得在電源里面加上叫做濾波器的東西去擋住他們。

但是不幸的是濾波器讓能量傳遞的路徑充滿了坎坷，使得電源體積增大和熱損耗增加。

于是工程師又得想其他損耗小的方法，比如在電源里面找到一個(gè)和外逃能量極性相反的能量，使外逃能量在逃跑的道路上就被負(fù)能量干掉。減少濾波器的使用。

當(dāng)然這不是件容易的事情，如果你找到的負(fù)能量太強(qiáng)，就會(huì)喧賓奪主了，反客為主了…….

在實(shí)驗(yàn)室里面湊出一兩臺(tái)，讓能量正負(fù)抵消是比較容易的事情，一旦生產(chǎn)成千上萬(wàn)臺(tái)，又怎么能保證一致性呢？

工程師要解決的問(wèn)題還有很多很多，做一件產(chǎn)品并不是比哪一項(xiàng)最優(yōu)秀，而是比誰(shuí)的短板最少。說(shuō)到底做產(chǎn)品是個(gè)不斷折中的過(guò)程。所以做一個(gè)短小輕薄的電源實(shí)在不是件容易的事情。

等到工程師在實(shí)驗(yàn)室好不容易攢出幾臺(tái)各個(gè)性能都不錯(cuò)的樣機(jī)的時(shí)候，噩夢(mèng)才剛開(kāi)始……

做一個(gè)真正的臺(tái)達(dá)電源產(chǎn)品，還必須去工廠試產(chǎn)。

試產(chǎn)的產(chǎn)品要被進(jìn)行測(cè)試打分通關(guān)，總共三關(guān)，他們就是形影不離的EVT, DVT, PVT三兄弟！

工程驗(yàn)證，設(shè)計(jì)驗(yàn)證，生產(chǎn)驗(yàn)證。

每個(gè)階段會(huì)聚集十幾個(gè)部門的各路高手給產(chǎn)品打分。

EVT分?jǐn)?shù)過(guò)了才能到DVT, 分?jǐn)?shù)不過(guò)就再改設(shè)計(jì)然后再回爐改造。

沒(méi)有天賦異稟的工程師能一次就達(dá)到PVT的分?jǐn)?shù)，只有痛不欲生近乎扒皮脫骨才能打通任督二脈實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這時(shí)間少則大半年，多則數(shù)年。

十幾門派上千個(gè)測(cè)試?yán)锩?，太專業(yè)的測(cè)試大家也不懂，那么吳工挑個(gè)簡(jiǎn)單的，介紹下產(chǎn)品落地（drop）測(cè)試的內(nèi)容：

測(cè)試1：10cm的高度，電源的6個(gè)面輪流朝下，每個(gè)面50次，一共300次，產(chǎn)品不能壞。

測(cè)試2：120cm的高度，電源的6個(gè)面輪流朝下，每個(gè)面1次，一共6次，產(chǎn)品不能壞。

當(dāng)你幸運(yùn)的（不太可能地）通過(guò)了這些測(cè)試，以為一切都結(jié)束的時(shí)候，下面一個(gè)測(cè)試又來(lái)了！

測(cè)試3：滾筒測(cè)試，就是讓電源翻滾著升到50cm的高度，不確定哪個(gè)面朝下，隨機(jī)扔72次。產(chǎn)品不能壞

現(xiàn)在氮化鎵這個(gè)新興器件成了網(wǎng)紅，好像充電器不帶個(gè)氮化鎵三個(gè)字就像是英倫別墅門口沒(méi)有配個(gè)帶倫敦腔的管家一樣沒(méi)面子。

臺(tái)達(dá)這款電源剛面世的時(shí)候用的只是普通的元器件，乍一看似乎沒(méi)有跟上潮流。但其實(shí)反過(guò)來(lái)想，任何器件都是為了性能服務(wù)的，只用了普通的器件就達(dá)到氮化鎵的效率，這就好比是聚賢莊一戰(zhàn)中，蕭峰用了一套平常的太祖長(zhǎng)拳力克各大派300多名高手，難道不是更顯得功力深厚嗎？

光說(shuō)不練假把式，差點(diǎn)忘記主題是設(shè)計(jì)拯救銀河系的充電器了。

吳工的客戶大都是美國(guó)人，星球大戰(zhàn)這個(gè)片子對(duì)他們來(lái)說(shuō)就是86版的西游記。吳工想把這個(gè)世界最小的60W改裝成一個(gè)星球大戰(zhàn)的機(jī)器人D2-R2。這個(gè)機(jī)器人在影片里面多次將銀河系從危機(jī)中拯救出來(lái)，是響當(dāng)當(dāng)?shù)恼嫒宋铩?/p>

因?yàn)?a target="_blank">公司也沒(méi)有給預(yù)算，自干五也是有經(jīng)濟(jì)壓力的，在淘寶上挑了個(gè)價(jià)值10元的D2-R2模型玩具。

雖然這個(gè)機(jī)器人不大，但是要容納世界上最小的60W電源，已經(jīng)足夠大了。

切開(kāi)外殼

底部挖掉，大小正好能容納60W的折疊插頭

這里要啰嗦一句，業(yè)界標(biāo)稱電源的體積是只算長(zhǎng)方體部分，不算突出來(lái)的插頭的，所以大家為了爭(zhēng)我是最小，插頭都是固定并且外露的，因?yàn)檎郫B的話需要浪費(fèi)一部分的體積。雖然用戶拿著戳手，但是可以號(hào)稱自己體積最小。而臺(tái)達(dá)的產(chǎn)品，沒(méi)有投機(jī)取巧，從開(kāi)始定位就選擇了一條自虐的道路，即便拼上插頭折疊空間也是要世界最小。

這款10塊錢的R2D2 雖然買不了吃虧買不了上當(dāng)，但是顏色涂得渣了點(diǎn)，配不上世界最小的充電器。

重新上了色

01

02

03

稍稍作舊！

接下來(lái)就要把充電器放入機(jī)器人身體了，問(wèn)同事要了個(gè)沒(méi)有外殼的60W半成品。

下面的描述專業(yè)性比較強(qiáng)，雖然吳工力圖陳述簡(jiǎn)單化，但是還可能不自覺(jué)地凡爾賽，非專業(yè)觀眾如果看不下去就請(qǐng)自行跳過(guò)。

上圖中，上方的是傳統(tǒng)60W電源, 下面是我們小型化的60W。

和傳統(tǒng)60W充電器相比，這個(gè)小型化的充電器只有大電容是一樣的，其它都小了一半以上。

變壓器部分用了電路板來(lái)替代傳統(tǒng)的線繞結(jié)構(gòu)。變壓器的線圈分別畫在十層電路板上，雖然這樣可以節(jié)省空間，但是也帶來(lái)了挑戰(zhàn)：首先電路板的走線和傳統(tǒng)繞線比，阻抗會(huì)比較大，會(huì)產(chǎn)生更多熱損耗；其次電路板是多層結(jié)構(gòu)，每層線圈距離近接觸面積大，學(xué)過(guò)中學(xué)物理的朋友可能還記得，兩塊帶電平行板接觸面積越大距離越小，他們之間的電容也越大。這樣電磁噪聲傳播路徑的阻抗就變小了，更容易造成電磁干擾方面的問(wèn)題。如果把每層線圈的距離拉開(kāi)，那么又會(huì)增加漏感造成多余能量的浪費(fèi)。以上這些問(wèn)題，都需要工程師不斷仿真調(diào)試，找到最優(yōu)的布線方式以及十層電路板最佳疊構(gòu)。

言歸正題，在網(wǎng)上買了三個(gè)USB typeC的轉(zhuǎn)接頭，轉(zhuǎn)了幾次方向之后，把輸出口從頂部改到側(cè)面。

在電影上D2-R2頭上的指示燈是會(huì)閃爍的。在頭盔上裝上LED燈，并不是難事，但是這樣的改裝會(huì)增加產(chǎn)品的待機(jī)功耗，也罷，只好犧牲吳工家的電費(fèi)還原影片中的真實(shí)一幕吧。

這樣就成功了！

吳工迫不及待地想看到客戶一臉驚訝的表情，但是很不幸當(dāng)吳工完成這個(gè)銀河系最酷的電源的時(shí)候，疫情來(lái)了。和客戶的所有互動(dòng)無(wú)限期停止了。吳工可能又做了件徒勞無(wú)功的事情。

｜后記｜

吳工剛?cè)胄械臅r(shí)候，隨一個(gè)大牛同事去臺(tái)灣出差，剛好桌子有個(gè)臺(tái)灣同事的產(chǎn)品。這位大牛同事拿起來(lái)端詳許久，然后很不屑地冷笑說(shuō)，這個(gè)電源是modify我的設(shè)計(jì)，但抄都不會(huì)抄。我用一個(gè)元件搞定，他竟然用了三個(gè)！正好被旁邊同事聽(tīng)到了，他說(shuō)你知不知道三個(gè)低壓元件的價(jià)格加一起比一個(gè)高壓元件還要便宜？

這三個(gè)元件的故事連同三個(gè)小豬三個(gè)和尚的故事一樣啟蒙了剛當(dāng)工程師不久的吳工。讓吳工知道山外有山，永遠(yuǎn)不要妄議別人的設(shè)計(jì)。沒(méi)有親歷過(guò)，你猜不透?jìng)€(gè)中的巧妙，也不能體會(huì)其中的苦…… 回想在這個(gè)團(tuán)隊(duì)工作的十幾年，大家未必是技術(shù)水平最高的但都是實(shí)實(shí)在在做每個(gè)產(chǎn)品，從未想過(guò)投機(jī)取巧。慢慢的大家都變成了悲觀的人，不相信運(yùn)氣也不相信捷徑，只相信出來(lái)混遲早是要還的。記得一個(gè)剛?cè)肼毑痪玫墓こ處熀蛥枪ふf(shuō)，他的太太抱怨說(shuō)他自從來(lái)公司上班以后，變得越來(lái)不陽(yáng)光了…… 吳工聽(tīng)聞捻須暗喜道，你已經(jīng)出師啦！