如何设计一个拯救银河系的充电器

 

 

作者简介

本文是第一届电力电子科普征文大赛的二等奖作品，作者：吴韬，来自台达电子。

 

 

吴工姓吴，做了快20年的工程师，因为不停有同事供应商客户喊自己“吴工”，虽然老大不情愿但众口铄金只好半推半就的接受了这个称呼。
 

 

吴工的主业是做电源。每次千辛万苦地做出一个产品，兴高采烈地拿到客户那里介绍……

 

 

 

客户却总是一副见多识广不以为然的样子… ...

 

 

吴工想扭转这一局面，决定拿同事设计的一款充电器改造一下。这个产品是2017年面世，是当时世界上最小的60W充电器。

 

 

为了能普及一下电源知识让大家了解下产品设计的艰辛，同时也兼顾文理科观众的欣赏能力和知识层次，吴工画了个通俗易懂的教程，因为不是专业画家的缘故，画风粗糙还请见谅了。

 

学过高中物理的朋友都知道，墙上插座的电是220V 50Hz。

 

 

 

50Hz的意思就是它从高到低，再从低到高，每秒钟重复50次。

那么问题来了，我们手机笔记本充电，只要5V到20V的直流电压, 220V太高了，怎么办？

 

 

对的，我们得用变压器。如果变压器把220V 50Hz频率的电压变成低的电压，那么变压器1秒钟要传递50次能量。

 

如果让变压器工作的频率更快一点，假设需要传递总能量不变，那么变压器每次工作只要传递很少的能量就可以了，变压器就能变小，充电器也能变小了。

这看起来很完美，但是能量的传递每送一次总会有些损失，工作次数越多，丢的也越多。

 

 

这些多余的损耗会变成热散发出去，效率会变差，电源体积反而不能缩小，因为没有足够的面积去散热了。

 

 

于是工程师设计出各种线路去减少损失，

 

 

 

或者升级成性能更好的器件，减少浪费，提高效率。

 

 

虽然这些都增加了电路的复杂度和成本，但是提高了效率，电源满负荷工作也不会发热烫手了。

 

不过新问题又来了！待机休眠的时候，虽然不会发热了，可电源仍然按照很高的频率辛勤工作着，效率会很低。

 

 

 

也许您可能不在乎那些电费，但是国家都有对待机功耗都有要求，如果超过要求，是不能卖的。

 

 

 

这又逼着工程师设计新电路，让充电器在设备休眠的时候间歇性的工作，减少损耗。

 

 

 

但是问题又来了，间歇性的工作会产生噪音，容易被人耳接收到，影响用户体验。

 

 

 

工程师还要想方设法减少噪音分贝：让间歇工作的频率不要落在人耳能提到的音频范围内；减少每次工作时候的能量；变压器加胶等等。

 

你以为这样就大功告成了吗？问题还远远不止这些……

 

比方说，因为工作频率高，工作太卖力，常常有能量会跑到临近家用电器上，严重的时候会干扰到人家的正常工作。

 

 

 

这也是国家质量强制认证CCC法规不允许的。

 

 

 

为阻挡红杏出墙的能量，工程师又得在电源里面加上叫做滤波器的东西去挡住他们。

 

 

 

但是不幸的是滤波器让能量传递的路径充满了坎坷，使得电源体积增大和热损耗增加。

 

于是工程师又得想其他损耗小的方法，比如在电源里面找到一个和外逃能量极性相反的能量，使外逃能量在逃跑的道路上就被负能量干掉。减少滤波器的使用。

 

 

 

当然这不是件容易的事情，如果你找到的负能量太强，就会喧宾夺主了，反客为主了…….

 

 

 

在实验室里面凑出一两台，让能量正负抵消是比较容易的事情，一旦生产成千上万台，又怎么能保证一致性呢？

 

 

 

工程师要解决的问题还有很多很多，做一件产品并不是比哪一项最优秀，而是比谁的短板最少。说到底做产品是个不断折中的过程。所以做一个短小轻薄的电源实在不是件容易的事情。

 

 

 

等到工程师在实验室好不容易攒出几台各个性能都不错的样机的时候，噩梦才刚开始……

 

做一个真正的台达电源产品，还必须去工厂试产。

 

 

 

试产的产品要被进行测试打分通关，总共三关，他们就是形影不离的EVT, DVT, PVT三兄弟！

工程验证，设计验证，生产验证。

 

每个阶段会聚集十几个部门的各路高手给产品打分。

 

 

 

EVT分数过了才能到DVT, 分数不过就再改设计然后再回炉改造。

没有天赋异禀的工程师能一次就达到PVT的分数，只有痛不欲生近乎扒皮脱骨才能打通任督二脉实现量产，这时间少则大半年，多则数年。

 

 

 

十几门派上千个测试里面，太专业的测试大家也不懂，那么吴工挑个简单的，介绍下产品落地（drop）测试的内容：

 

测试1：10cm的高度，电源的6个面轮流朝下，每个面50次，一共300次，产品不能坏。

测试2：120cm的高度，电源的6个面轮流朝下，每个面1次，一共6次，产品不能坏。

 

当你幸运的（不太可能地）通过了这些测试，以为一切都结束的时候，下面一个测试又来了！

 

测试3：滚筒测试，就是让电源翻滚着升到50cm的高度，不确定哪个面朝下，随机扔72次。产品不能坏

 

 

现在氮化镓这个新兴器件成了网红，好像充电器不带个氮化镓三个字就像是英伦别墅门口没有配个带伦敦腔的管家一样没面子。

 

台达这款电源刚面世的时候用的只是普通的元器件，乍一看似乎没有跟上潮流。但其实反过来想，任何器件都是为了性能服务的，只用了普通的器件就达到氮化镓的效率，这就好比是聚贤庄一战中，萧峰用了一套平常的太祖长拳力克各大派300多名高手，难道不是更显得功力深厚吗？

 

 

 

光说不练假把式，差点忘记主题是设计拯救银河系的充电器了。

 

吴工的客户大都是美国人，星球大战这个片子对他们来说就是86版的西游记。吴工想把这个世界最小的60W改装成一个星球大战的机器人D2-R2。这个机器人在影片里面多次将银河系从危机中拯救出来，是响当当的正面人物。

 

 

因为公司也没有给预算，自干五也是有经济压力的，在淘宝上挑了个价值10元的D2-R2模型玩具。

 

 

 

虽然这个机器人不大，但是要容纳世界上最小的60W电源，已经足够大了。

 

切开外壳

 

底部挖掉，大小正好能容纳60W的折叠插头

 

 

 

这里要啰嗦一句，业界标称电源的体积是只算长方体部分，不算突出来的插头的，所以大家为了争我是最小，插头都是固定并且外露的，因为折叠的话需要浪费一部分的体积。虽然用户拿着戳手，但是可以号称自己体积最小。而台达的产品，没有投机取巧，从开始定位就选择了一条自虐的道路，即便拼上插头折叠空间也是要世界最小。

 

这款10块钱的R2D2 虽然买不了吃亏买不了上当，但是颜色涂得渣了点，配不上世界最小的充电器。

 

重新上了色

 

01

02

03

 

 

 

稍稍作旧！

 

 

接下来就要把充电器放入机器人身体了，问同事要了个没有外壳的60W半成品。

 

下面的描述专业性比较强，虽然吴工力图陈述简单化，但是还可能不自觉地凡尔赛，非专业观众如果看不下去就请自行跳过。

 

 

上图中，上方的是传统60W电源, 下面是我们小型化的60W。

 

和传统60W充电器相比，这个小型化的充电器只有大电容是一样的，其它都小了一半以上。

 

变压器部分用了电路板来替代传统的线绕结构。变压器的线圈分别画在十层电路板上，虽然这样可以节省空间，但是也带来了挑战：首先电路板的走线和传统绕线比，阻抗会比较大，会产生更多热损耗；其次电路板是多层结构，每层线圈距离近接触面积大，学过中学物理的朋友可能还记得，两块带电平行板接触面积越大距离越小，他们之间的电容也越大。这样电磁噪声传播路径的阻抗就变小了，更容易造成电磁干扰方面的问题。如果把每层线圈的距离拉开，那么又会增加漏感造成多余能量的浪费。以上这些问题，都需要工程师不断仿真调试，找到最优的布线方式以及十层电路板最佳叠构。

 

言归正题，在网上买了三个USB typeC的转接头，转了几次方向之后，把输出口从顶部改到侧面。

 

 

在电影上D2-R2头上的指示灯是会闪烁的。在头盔上装上LED灯，并不是难事，但是这样的改装会增加产品的待机功耗，也罢，只好牺牲吴工家的电费还原影片中的真实一幕吧。

 

这样就成功了！

 

吴工迫不及待地想看到客户一脸惊讶的表情，但是很不幸当吴工完成这个银河系最酷的电源的时候，疫情来了。和客户的所有互动无限期停止了。吴工可能又做了件徒劳无功的事情。

 

｜后记｜

吴工刚入行的时候，随一个大牛同事去台湾出差，刚好桌子有个台湾同事的产品。这位大牛同事拿起来端详许久，然后很不屑地冷笑说，这个电源是modify我的设计，但抄都不会抄。我用一个元件搞定，他竟然用了三个！正好被旁边同事听到了，他说你知不知道三个低压元件的价格加一起比一个高压元件还要便宜？

这三个元件的故事连同三个小猪三个和尚的故事一样启蒙了刚当工程师不久的吴工。让吴工知道山外有山，永远不要妄议别人的设计。没有亲历过，你猜不透个中的巧妙，也不能体会其中的苦…… 回想在这个团队工作的十几年，大家未必是技术水平最高的但都是实实在在做每个产品，从未想过投机取巧。慢慢的大家都变成了悲观的人，不相信运气也不相信捷径，只相信出来混迟早是要还的。记得一个刚入职不久的工程师和吴工说，他的太太抱怨说他自从来公司上班以后，变得越来不阳光了…… 吴工听闻捻须暗喜道，你已经出师啦！