品能PN913移動電源技術(shù)方案深度剖析

　　大家好!我是來福。上一次和大家分享了小米移動電源方案的一些拙見。很多朋友給出了各不相同的反饋。我對技術(shù)方案有明確的意見，但對品牌沒有任何傾向。能挑選出來評價的都是主流品牌和經(jīng)典設(shè)計。有朋友反饋說批評小米方案的問題，是否能做出更好的方案。這可以在QQ里交流。這一次我想說下品能的爆款產(chǎn)品PN913。以下僅代表個人觀點，歡迎批評指正，技術(shù)交流請加QQ:2952043800

　　品能的PN913是一個追求性價比的產(chǎn)品：10000mAh容量，2.1A/1A兩路輸出，1A輸入，帶液晶屏，售價69元?？磥硎且托∶谆鹌磧r格。為什么這么便宜?我們進入產(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方案是中國人創(chuàng)造出來的，完全沒有開關(guān)電源知識的愚蠢方案。但凡正規(guī)電源IC企業(yè)都不可能杜撰出MCU方案來。長時間所謂MCU多合一低成本方案把移動電源廠商折騰的死去活來。但既然品能當初用了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方案的主要問題及背后的原因：

　　1 MCU是軟件控制方式，無法并行處理很多事件。所以在處理保護、按鍵、充放電環(huán)路控制、顯示、電量計算、電流電壓檢測的實時性是無法保證的。同時一個動作的執(zhí)行需要分解成很多的指令，比如要執(zhí)行一次PWM運算都需要幾十個微秒，試想1微秒的開關(guān)周期條件下，幾十個周期都無法計算，一旦發(fā)生負載變化，或短路，后果不堪設(shè)想。

　　2 MCU計算能力極差，過去只是用于小家電的控制，應(yīng)用環(huán)境非常簡單?，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位的運算，顯然無法做電源的控制。

　　3 MCU由于運算速度太低，所以一般MCU方案的典型特點是開關(guān)頻率很低。筆者親眼見到禮品板上的MCU方案只有20kHz的頻率。很多人問我為什么很多移動電源會發(fā)出響聲。這么低的頻率，電流紋波大的嚇死人，怎么可能不響。所以必定會配大電感，體積大，內(nèi)阻高，最后又造成效率低…

　　4 MCU是通用器件，根本不是為移動電源應(yīng)用而設(shè)計的。當初采用這種方案，完全是因為追求低成本，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ADC要分時復(fù)用處理多個電流采樣，電壓采樣，本身頻率又低，所以完全無法做電源控制。另外大部分公司用集成的ADC做空載電流檢測和充電結(jié)束電流檢測，結(jié)果因為無法做到微伏級的失調(diào)而告失敗。

　　6 MCU直接驅(qū)動MOS或加三級管驅(qū)動MOS。由于驅(qū)動能力有限，所以開關(guān)損耗很大。

　　7 電源調(diào)整率和負載調(diào)整率會比較差。大電流放電時輸出電壓低。PN913在帶2A輸出時，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!

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

　　9 MCU保護速度非常慢。經(jīng)常需要幾個毫秒才能對短路進行保護。

　2. 充電

　　充電開關(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，PN913的充電損耗是好方案的2倍。

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

　　當然1A的充電能力對于10000mAh的電池容量來說，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，讓充電時間縮短一半。

　　3. 放電

　　MCU方案幾個明顯的現(xiàn)象：MOS輸入信號上升下降沿時間長達100ns-200ns，所以開關(guān)損耗非常大。開關(guān)頻率200kHz，因為MCU硬件處理能力太差，甚至無法在一個開關(guān)周期內(nèi)完成一次采樣和運算。稍有信號分析和開關(guān)電源知識的人都知道這會帶來的災(zāi)難性的結(jié)果。在加2A輸出電流時，輸出電壓掉到了4.4V，非常接近電池電壓4.2V。這是極其危險的事情!我們看如下的響應(yīng)波形：

　　PN913測試出來在0.1A到1.5A切換時下沖0.8V，200ms都無法恢復(fù)。

　　我們再看看實際測試的效率：

　　我們可以看出幾個明顯的問題：

　　效率不高，在3.2V電池電壓時效率連79%都不到。效率損失大部分來自于，功率路徑上電流檢測電阻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，卻因為采用了MCU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左右停止對外輸出。

　　4. 輸入輸出電流檢測及空載檢測

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

　　5. 手機智能識別

　　目前實現(xiàn)智能識別功能的產(chǎn)品還不是很多。這是一些品牌用來宣傳的功能。大概有10%的手機或平板充電會有問題。追求性價比的方案當然不需要這個功能。

　　6. 過溫保護

　　沒有。很多廠家認為電池不會過溫。但畢竟過溫保護是要花成本的，對于追求性價比的方案而言省掉過溫保護功能。

　　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。但是沒有外置驅(qū)動電路，很可能是MCU直接就驅(qū)動了，當然是為了省成本，但其實還必須并聯(lián)兩個肖特基，所以得不償失。

　　8. 電池保護

　　采用了1顆鋰電保護芯片、2顆MOS做保護。標準的電池保護方式。

　　9. 同時充放電

　　一顆肖特基管串聯(lián)在輸入和輸出端，用來做充放電自動路徑分配。但是就如大多數(shù)廠家的同時充放電功能的問題一樣，存在插入手機可能把適配器拉死的可能性。這就是產(chǎn)品的細節(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檢測電阻使得效率進一步下降。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是目前提升移動電源檔次的重要手段。把成本花在這里，確實是討好消費者。但是問題是電量測量非常不準。消費者長時間觀察就可以看到。實際上目前是有方案可以精確測量電量的。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。當然對于MOS外置的方案，散熱要求會比較低，所以有很多廠家沒有加散熱片。

　　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，沒辦法采用高的開關(guān)頻率(TI采用的是1.5MHz的開關(guān)頻率)。所以電感值和耐電流值都會很大，成本也會相應(yīng)顯著提高。同時大電感會帶來更大的DCR，會嚴重降低產(chǎn)品效率最高達2.5%。這是很多用MCU方案的廠家所完全沒有考慮到的問題。

　　13. 保護

　　由于時間有限。我們僅做了下短路測試。

　　短路電流響應(yīng)波形

　　高達10A的電流，維持3ms時間。正常的保護速度是ns級的。直接跨了幾個數(shù)量級了。

　　總結(jié)：作為一個拼性價比的方案，PN913采用了MCU軟件方案，使得整個方案效率較低，成本也沒有減少，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電源市場。抱著對消費者負責的態(tài)度，相信品能未來會采用真正優(yōu)異的硬件方案，PN913會成為品能最后一款MCU方案的移動電源產(chǎn)品。