Технология многоуровневого понижения и резонансной подкачки заряда от pSemi лежит в основе адаптивных микросхем быстрой зарядки и является новым достижением в человекоподобной робототехнике.
Быстрая зарядка стала основным требованием потребителей, но эффективное ее обеспечение во все более фрагментированной экосистеме проводных (например, USB-устройств для подачи питания [PD] и программируемых источников питания [PPS]) и беспроводных (Qi) адаптеров является сложной инженерной задачей. Архитектура преобразования мощности должна обеспечивать максимальную эффективность при высоких коэффициентах преобразования в компактном форм-факторе, оставаясь при этом независимой от напряжения источника, подключаемого пользователем.
Компания pSemi, входящая в Murata, рассказывает о своем новейшем многоуровневом понижающем регуляторе PE26100, который способен изменять архитектуру и режим работы в зависимости от исходного адаптера. Например, при обнаружении более высокого входного напряжения устройство работает в 4-уровневом понижающем режиме, но может переключиться на 3-уровневый режим работы при более низких напряжениях. PE26100 также может работать в режиме подкачки заряда (деление на 2 или деление на 3) при наличии переменного источника входного сигнала, такого как USB PPS. Многоуровневое устройство снижает выходную индуктивность и обеспечивает быструю зарядку и высокоэффективную подачу питания в низкопрофильных устройствах, таких как смартфоны и планшеты.
Инновационный многоуровневый продукт является продолжением линейки конденсаторов pSemi с зарядным насосом и коммутацией. Многие прогнозы указывают на значительный рост рынка коммутируемых конденсаторов, поскольку они стали предпочтительным решением для портативных устройств, включая смартфоны среднего и высокого уровня, а теперь распространяются и на другие устройства, такие как робототехника.
Компания также разработала значительное количество IP-устройств, основанных на этой технологии. Классический зарядный насос привлекателен для применения в условиях ограниченного пространства, поскольку он устраняет громоздкую катушку индуктивности, используемую в понижающих преобразователях, и обеспечивает высокую эффективность – особенно при высоких коэффициентах преобразования, с которыми обычный понижающий преобразователь сталкивается с трудностями. Устройства pSemi обладают дополнительным преимуществом адиабатического переключения, или переключения без потерь, что еще больше повышает эффективность преобразования и снижает электромагнитные помехи.
В данной статье мы подробнее рассмотрим преимущества технологии адиабатического зарядного насоса pSemi, а затем перейдем к их новой технологии многоуровневого понижающего регулятора.
Адиабатический зарядный насос: основная технология
В недавнем интервью Лоуренс Макгэрри, директор по управлению линейкой продуктов pSemi Power, объяснил проблему в конкретных терминах: когда два конденсатора с разным напряжением мгновенно соединяются (один с нулевым потенциалом, а другой с более высоким), при передаче теряется 50% энергии. Решение pSemi заключается во вставке небольшой адиабатической микросхемы индуктивности между конденсаторами, создавая LC-резонансный контур, который восстанавливает эту энергию, а не рассеивает ее, устраняя потери при перераспределении заряда. Вместо короткого замыкания, этот скачкообразный ток, который также может вызывать проблемы с электромагнитными помехами, сглаживает ток. Как объяснил Макгэрри, это также позволяет переходу резонировать. Таким образом, это резонансный контур без потерь.
Эта технология адиабатических индукторов является основополагающей для многих микросхем управления питанием компании, в частности для ее многоуровневых преобразователей (рис. 1). Она была добавлена в портфель pSemi после стратегического приобретения Arctic Sand в 2017 году, которое Макгэрри охарактеризовал как осознанный шаг, направленный на объединение опыта Murata в области конденсаторов с образцами pSemi.
Это позволяет pSemi использовать топологию зарядного насоса, которая, в отличие от понижающего преобразователя, устраняет громоздкую катушку индуктивности в смартфонах малого форм-фактора, а также обеспечивает высокие коэффициенты преобразования, часто необходимые для быстрой зарядки, например, от 18 В до 2,2 В. Однако ключевым отличием является то, что зарядный насос имеет разомкнутый контур; по словам Макгэрри, он, по сути, функционирует как трансформатор постоянного тока, так что при колебаниях входного напряжения выходное напряжение будет колебаться соответственно.
Примечательно, что сам контроллер не требует кардинальной перестройки для поддержки адиабатического индуктора. «У нас есть много контроллеров; обычно они чередуют две фазы накачки заряда», - отметил Макгэрри. «Они могут работать с индуктивным элементом, адиабатическим индуктором на выходе, или они могут работать без него. Просто без этого, в большинстве случаев, вы увидите небольшое снижение эффективности».
Макгэрри описал это как проблему согласования компонентов с тремя взаимозависимыми переменными – значениями предельного значения, значением адиабатической индуктивности и частотой переключения контроллера, – которые необходимо настраивать совместно. По словам Макгэрри: «Что вам действительно нужно сделать правильно, так это иметь возможность изменять частоту переключения, а также вы должны как бы настроить свои компоненты, а также резонансные адиабатические и выходные компоненты, чтобы убедиться, что вы получаете правильную настройку и правильное снижение потерь».
Многоуровневый преобразователь
Как говорит Макгэрри:
«Мы рассматриваем насос подзарядки, как отдаленного родственника многоуровневого преобразователя. Я бы сказал, что многоуровневый преобразователь можно рассматривать как эволюцию насоса подзарядки».
Конечно, зарядный насос не регулирует выходную мощность, как это делает включение по вольтовычитающей схеме, где все, что видно на входе, будет на выходе, просто разделенное на соотношение.
На практике граница между этими двумя технологиями несколько размыта, поскольку 4-уровневый преобразователь pSemi на самом деле может работать как трехуровневый зарядный насос, а 3-уровневый преобразователь может работать как двухуровневый зарядный насос.
«Таким образом, если у вас фиксированное входное напряжение, вы можете переключить его в режим накачки заряда и снова обеспечить очень эффективную подачу энергии», - заявляет Макгэрри.
Это важный фактор, который необходимо учитывать, поскольку мобильные телефоны больше не поставляются с адаптером в комплекте, что вынуждает потребителей полагаться на широкий выбор имеющихся в продаже подключаемых адаптеров. «Таким образом, существует множество различных адаптеров, которые должны быть совместимы. И такие клиенты, как мы с вами, часто берут ближайший адаптер, подключают его и ожидают быстрой зарядки», - добавляет Макгэрри.
Эту технологию можно найти в их флагманском многоуровневом преобразователе PE26100. Макгэрри продолжает:
«Если вы используете USB 18 В, то есть получаете Qi 2.2 от 18-вольтового адаптера, мы будем использовать четырехуровневое преобразование. Если затем это напряжение снизится, скажем, до 9 В, с помощью адаптера на 9 В или, возможно, даже 15 В, клиент может переключить его на трехуровневый режим работы. И это позволяет им оптимизировать тип используемой схемы, внедряя ее в данный момент, чтобы максимально повысить эффективность и энергопотребление».
Другими словами, устройство может быть адаптировано к типу используемого источника, например, адаптера или источника беспроводной зарядки, для оптимизации эффективности и сокращения времени зарядки телефона.
«В этом и заключается реальное преимущество нашей технологии – попытаться уменьшить или вовсе устранить путаницу с адаптером исходного кода», - утверждает Макгэрри.
Область применения гуманоидной робототехники
Во время конференции по прикладной силовой электронике (APEC) 2026 года компания pSemi анонсировала PE25304, расширив ассортимент емкостных коммутаторов для человекоподобной робототехники и продемонстрировав, как может быть применена эта эффективная технология тонкопрофильной адиабатической накачки заряда. Когда Макгэрри спросили о том, что это может стать основой для разработки, он ответил: «Зарядные устройства предназначены не только для мобильных телефонов. Они подходят для различных применений. Мы обнаружили, что в настоящее время рассматривается возможность использования зарядных устройств – от центров обработки данных до робототехники и даже ноутбуков. Их объединяет то, что они стремятся к меньшему пространству, низкому профилю, высокой мощности и высокой энергоэффективности».
Их модель PE25304 предназначена для подачи питания на приводы роботов-гуманоидов с помощью архитектуры ввода 48 В; он преобразует 48 В в 12 В с КПД 97% с помощью аналогичного устройства, которое преобразует 48 В в 24 В. Каждый модуль выдает до 72 Вт, в то время как два модуля, подключенных параллельно, способны выдавать до 150 Вт. Макгэрри подчеркивает преимущество зарядных насосов в компактности, характерное для робототехники: «При переходе к области рук становится понятно, что электроника на самом деле представляет собой очень плотное и дорогостоящее пространство. Таким образом, зарядный насос играет здесь важную роль, поскольку, опять же, он имеет очень малые габариты, очень низкий профиль и высокую мощность».
Макгэрри также утверждает, что, помимо ограниченности пространства, для применения в человекоподобной робототехнике требуются решения, которые менее подвержены механическим нагрузкам.
«Для робота-гуманоида, который постоянно перемещается, возможны удары и вибрация – вам не нужны большие громоздкие компоненты, способные привести к поломке», - заявляет Макгэрри.
Урегулирование судебного процесса
В интервью также был затронут недавний судебный процесс pSemi в области интеллектуальной собственности, о котором Макгэрри говорил напрямую, но не называл вторую сторону. Согласно недавнему пресс-релизу pSemi, компания достигла соглашения с Cirrus Logic, разрешив нерешенный судебный процесс, в ходе которого представители pSemi утверждали, что компания Cirrus Logic нарушила три своих патента на преобразование энергии, и Cirrus Logic согласилась лицензировать IP pSemi. В интервью изданию Power Corner Макгэрри описал это урегулирование как мирное и сообщил, что лицензионные соглашения действуют.
Затем он подчеркнул масштаб инвестиций, лежащих в основе портфеля проектов pSemi в области интеллектуальной собственности:
«Это большой опыт и ресурсы, накопленные за очень длительный период времени и сопряженные со значительными затратами. Мы должны защищать эту интеллектуальную собственность, и мы будем решительно защищать ее, если почувствуем, что она нарушается».
