在6月26日,充电头网举办了2024电动工具新技术线上研讨会,旨在深入了解各大芯片企业对电动工具领域的最新技术和解决方案,参会者们通过在线平台聚集一堂,共同探讨未来电动工具发展的关键技术趋势。
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在本次研讨会中,南芯科技系统方案经理Frank Du为我们讲述了南芯科技产品在电动工具中的应用。
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针对电动工具应用,南芯有丰富的产品矩阵。首先是直流charger,常用于电动工具内,为电池包提供CC-CV充电。第二部分产品是无线充电产品,南芯可提供5W到50W的解决方案。第三部分产品主要针对AC-DC电源,提供18W到200W的完整解决方案。第四部分是DC-DC产品,涵盖各种buck、boost以及buck-boost转换器。第五部分是协议类产品,第六部分是BMS产品。
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这是一个电动工具的典型应用框图。左上角的USB-C为输入输出接口,协议芯片可以用来进行协议握手,内部的SC8815和SC8808主要用于中低以及高串数电池充放电应用,USB-A口作为输出口,下方的DC口是输入口,如果AC-DC电源本身带有CC-CV功能,则不需要额外的DC-DC charger;否则,需要一个DC-DCcharger为电池提供CC-CV充电。
最下面是一个无线发射端,通过DC-DC转换器从电池侧获取9V或12V电压,通过Tx(无线发射芯片)SC9608输出10W-15W的功率。中间部分是电池包的BMS,SC5550可以支持最多15串电池的保护。右边的Buck转换器可以将电池包的高电压转换为5V为系统供电。
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针对电动工具,南芯科技有一系列参考设计方案。AC-DC电源通过DC口或充电座进行恒流恒压充电,针对5串电池做了一个63W的CC-CV参考设计。
针对USBC口AC/DC充电,南芯科技提供了两个参考设计,一个是100W,另一个是140W,分别对应PD3.0和PD3.1标准,可提供20V/5A和28V/5A的充电方案。通过USBC口进入后,需要一个DC-DC charger。南芯科技有针对3-5串电池的100W DC/DC充电方案,以及3-5串电池的65W DC/DC充电方案,这两个方案都是双向的。
而BC-07,支持2-4串电池的30W方案,这是一个单向的充电方案,相对于上述两款方案来说成本更低一些。
南芯科技针对电动工具推出1C/1A转换座充电方案。传统的充电方式充电功率通常较小,约20W左右,而且由于输出线的原因,恒流恒压的精度并不高。
国外的一些头部厂家在电池包上安装转换模块。通过这个转换模块,可以使用USB-C适配器进行充电。电动工具的这种USB-C充电渗透率正在逐渐提高。提高渗透率,需要满足以下三个前提条件:
一、转换模块的成本要足够低。目前推出的方案,其价格与传统充电方案几乎相当。
二、消费者家中已经有USB-C充电器,这样购买电动工具时,只需购买一个电池包充电转换模块,无需额外购买充电器。家中的USB-C充电器(如手机或笔记本充电器)就可以给电动工具充电。
三、电动工具的快充逐渐成为主流。当用户习惯了100W的快充后,很难再接受过去20W的充电方式。
通过使用充电转换模块,有以下几个优点:
1.更精准的CC-CV充电,因为转换模块位于电池端,CC-CV的精度更高。
2.家中的充电器可以统一使用,不需要专用的电动工具充电器。
3.可以作为户外电源使用,电动工具的电池包可以为移动设备(如手机、电脑)充电。
4.更高的充电功率,传统充电方式是20W,通过USBC充电模块可以提供高达100W的充电功率。
5.更经济的系统成本,两个电池包可以共享同一个充电模块。
6.减少充电器损坏的焦虑,家里的手机、笔记本电脑充电器都可以为电动工具的电池包充电。
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以上方案框图中使用了南芯科技的两款芯片,一个是SC8815,这是一款Buck-Boost控制器。另一款芯片是协议芯片SC2001,主要针对1C/1A的DRP应用。整个参考设计可以应用于3-5串电池包,充电功率最高可达100W,静态电流只有4μA。
这个静态电流指标对于电动工具非常重要,如果用户忘记将转换板从电池包上拔下,较大的待机电流会加速电池电量耗尽。这款方案的充电管理包括CC-CV充电和充电截止,充电效率高达98%,热性能良好,支持市面上主流的快充协议,并提供低输出纹波和丰富的保护功能。
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这是实际设计的一个100W参考设计,其充电口和放电口是分开的,针对目前市面上的主流电池接口进行设计。
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65W参考设计相比100W设计,PCB尺寸更小,被动元件尺寸更小,因此成本更低。同时该设计还设计了一个温度检测口,可以检测电池包的温度,只有电池包在合理的温度范围内才允许充电和放电。
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以上为这款65W参考设计的效率曲线,放电效率高达97.5%,最高温度点仅为53度,效率和热性能表现优秀。
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以上为这款方案放电时的输出纹波,在20V3.25V条件下,65W放电时输出纹波小于200mV。右边是实测的待机电流,只有4μA。
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这是BC-07方案介绍,前两个参考设计是双向的,这个单向充电设计使用了协议芯片NX17652进行协议握手。功率部分SC8905或SC8910集成了四个开关管,使设计极简。
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以上展示了100W和140W的参考设计。100W和140W的设计共用一块板子,只在变压器选择上有些许不同。板子包含PFC和反激两部分,均采用南芯科技全套解决方案。PFC部分采用了SC3252,这是一款100W的PFC合封氮化镓芯片。
SC3058是一款100W的反激合封氮化镓芯片。右边是同步整流驱动器SC3503,右下角的小板上有PD3.0协议芯片SC2151A,以及支持PD3.1和28V输出的SC2156协议芯片。
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这是这款100W方案的实测效率曲线,在230V和115V条件下的实测效率曲线。右边是满功率下的热云图。
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以上为南芯63W方案,恒流恒压充电demo图,针对五串电池包进行恒流恒压充电,从11V到21V进行恒流充电,到21V后进入恒压阶段。
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以上为63W方案的CC-CV的效率曲线及热云图。
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SC8815双向升降压控制器,支持一到六串电池包充放电管理,包括CC-CV充电及截止,支持反向放电。电池电压和VBUS电压范围为2.5V到36V。充电电流和电压可以通过编程设定,放电电压也可编程。右边是典型应用框图。
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SC8808是即将推出的高压升降压控制器,支持4到80V输入电压,充电电压最高支持16串锂电池、18串磷酸铁锂电池及各种铅酸电池。充电电流最大支持50A,反向放电支持5到48V输出,兼容市面上的PD3.1输出范围。输出最大电流支持到50A,电压电流配置可以通过I2C或外部电阻设定,方便工程师使用。同时输入输出电流具备电流检测功能,开关频率可设定在80KHz到480KHz范围,方便优化外围被动元件及效率,并支持频率抖频处理EMI问题。
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这是典型应用电路图,左边支持USBC输入及DC输入,右边接电池,支持最高16串锂电池。该芯片优点包括宽压输入输出,支持85V最大输入输出,电压电流设定支持外部或内部I2C配置,驱动既可用内部5V也可用外部10V,外部10V供电可以降低芯片功耗和温升,并提高系统效率。
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SC8808支持MPPT自动算法。左边的图展示了它可以从太阳能板的开路电压进行扫描,最低扫描电压点可通过MCU提前设定。整个过程中,SC8808芯片会自动完成扫描和计算,并根据太阳能板的输出功率来设定最大功率点,用户可以选择是按照输入功率还是输出功率来设定。SC8808支持一到三串太阳能板,最大支持80V开路电压。
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以上是协议芯片SC2001。SC2001既可以作为source也可以作为sink,是一个双向DRP应用芯片,支持PD3.0,有四组DP-DM,支持主流快充协议。输出电压范围为2.7到24.5V,可以实现最高20V的输出,集成了5V和1.8V LDO,外围简化。内置32K MTP,内置2K RAM。
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SC8171是一款100V的Buck芯片,适用于高串数的电动工具,如园林工具,可将16串电池电压(如64V)转换成5V供电。SC8171支持5V到100V输入,连续输出电流为1.2A,内部集成上下管,1.2V参考电压,精度为1%,静态电流低,开关频率可调,采用COT控制模式,动态响应好。
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SC814XY系列是最新推出的36V 1-4A降压转换器芯片,输入范围为3到36V,静态电流为35μA,工作温度范围为-40度到150度,内部集成上下管,有固定频率版本和变频版本。适用于低串数电池的电动工具,如八串电池以内的应用,可将电池包电压转换为更低电压,给系统供电。
充电头网总结
南芯科技凭借其丰富的产品矩阵,为电动工具提供了全面而高效的解决方案。从DC-DC转换器到无线充电,再到AC-DC电源和协议类产品,南芯科技的技术应用涵盖了电动工具的各个关键环节,确保了电池的高效充电和安全管理。同时,通过不断创新,南芯科技的产品不仅提升了电动工具的性能,还大大提高了用户的使用体验。未来,随着技术的进一步发展,南芯科技将继续为用户提供更加高效的解决方案。
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