作者簡介

本文是第一屆電力電子科普征文大賽的二等獎作品，作者：吳韜，來自臺達電子。

吳工姓吳，做了快20年的工程師，因為不停有同事供應商客戶喊自己“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稱呼。

吳工的主業是做電源。每次千辛萬苦地做出一個產品，興高采烈地拿到客戶那里介紹……

客戶卻總是一副見多識廣不以為然的樣子… ...

吳工想扭轉這一局面，決定拿同事設計的一款充電器改造一下。這個產品是2017年面世，是當時世界上最小的60W充電器。

為了能普及一下電源知識讓大家了解下產品設計的艱辛，同時也兼顧文理科觀眾的欣賞能力和知識層次，吳工畫了個通俗易懂的教程，因為不是專業畫家的緣故，畫風粗糙還請見諒了。

學過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，再從低到高，每秒鐘重復50次。

那么問題來了，我們手機筆記本充電，只要5V到20V的直流電壓, 220V太高了，怎么辦？

對的，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，假設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。

這看起來很完美，但是能量的傳遞每送一次總會有些損失，工作次數越多，丟的也越多。

這些多余的損耗會變成熱散發出去，效率會變差，電源體積反而不能縮小，因為沒有足夠的面積去散熱了。

于是工程師設計出各種線路去減少損失，

或者升級成性能更好的器件，減少浪費，提高效率。

雖然這些都增加了電路的復雜度和成本，但是提高了效率，電源滿負荷工作也不會發熱燙手了。

不過新問題又來了！待機休眠的時候，雖然不會發熱了，可電源仍然按照很高的頻率辛勤工作著，效率會很低。

也許您可能不在乎那些電費，但是國家都有對待機功耗都有要求，如果超過要求，是不能賣的。

這又逼著工程師設計新電路，讓充電器在設備休眠的時候間歇性的工作，減少損耗。

但是問題又來了，間歇性的工作會產生噪音，容易被人耳接收到，影響用戶體驗。

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

你以為這樣就大功告成了嗎？問題還遠遠不止這些……

比方說，因為工作頻率高，工作太賣力，常常有能量會跑到臨近家用電器上，嚴重的時候會干擾到人家的正常工作。

這也是國家質量強制認證CCC法規不允許的。

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能量干掉。減少濾波器的使用。

當然這不是件容易的事情，如果你找到的負能量太強，就會喧賓奪主了，反客為主了…….

在實驗室里面湊出一兩臺，讓能量正負抵消是比較容易的事情，一旦生產成千上萬臺，又怎么能保證一致性呢？

工程師要解決的問題還有很多很多，做一件產品并不是比哪一項最優秀，而是比誰的短板最少。說到底做產品是個不斷折中的過程。所以做一個短小輕薄的電源實在不是件容易的事情。

等到工程師在實驗室好不容易攢出幾臺各個性能都不錯的樣機的時候，噩夢才剛開始……

做一個真正的臺達電源產品，還必須去工廠試產。

試產的產品要被進行測試打分通關，總共三關，他們就是形影不離的EVT, DVT, PVT三兄弟！

工程驗證，設計驗證，生產驗證。

每個階段會聚集十幾個部門的各路高手給產品打分。

EVT分數過了才能到DVT, 分數不過就再改設計然后再回爐改造。

沒有天賦異稟的工程師能一次就達到PVT的分數，只有痛不欲生近乎扒皮脫骨才能打通任督二脈實現量產，這時間少則大半年，多則數年。

十幾門派上千個測試里面，太專業的測試大家也不懂，那么吳工挑個簡單的，介紹下產品落地（drop）測試的內容：

測試1：10cm的高度，電源的6個面輪流朝下，每個面50次，一共300次，產品不能壞。

測試2：120cm的高度，電源的6個面輪流朝下，每個面1次，一共6次，產品不能壞。

當你幸運的（不太可能地）通過了這些測試，以為一切都結束的時候，下面一個測試又來了！

測試3：滾筒測試，就是讓電源翻滾著升到50cm的高度，不確定哪個面朝下，隨機扔72次。產品不能壞

現在氮化鎵這個新興器件成了網紅，好像充電器不帶個氮化鎵三個字就像是英倫別墅門口沒有配個帶倫敦腔的管家一樣沒面子。

臺達這款電源剛面世的時候用的只是普通的元器件，乍一看似乎沒有跟上潮流。但其實反過來想，任何器件都是為了性能服務的，只用了普通的器件就達到氮化鎵的效率，這就好比是聚賢莊一戰中，蕭峰用了一套平常的太祖長拳力克各大派300多名高手，難道不是更顯得功力深厚嗎？

光說不練假把式，差點忘記主題是設計拯救銀河系的充電器了。

吳工的客戶大都是美國人，星球大戰這個片子對他們來說就是86版的西游記。吳工想把這個世界最小的60W改裝成一個星球大戰的機器人D2-R2。這個機器人在影片里面多次將銀河系從危機中拯救出來，是響當當的正面人物。

因為公司也沒有給預算，自干五也是有經濟壓力的，在淘寶上挑了個價值10元的D2-R2模型玩具。

雖然這個機器人不大，但是要容納世界上最小的60W電源，已經足夠大了。

切開外殼

底部挖掉，大小正好能容納60W的折疊插頭

這里要啰嗦一句，業界標稱電源的體積是只算長方體部分，不算突出來的插頭的，所以大家為了爭我是最小，插頭都是固定并且外露的，因為折疊的話需要浪費一部分的體積。雖然用戶拿著戳手，但是可以號稱自己體積最小。而臺達的產品，沒有投機取巧，從開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，但是顏色涂得渣了點，配不上世界最小的充電器。

重新上了色

01

02

03

稍稍作舊！

接下來就要把充電器放入機器人身體了，問同事要了個沒有外殼的60W半成品。

下面的描述專業性比較強，雖然吳工力圖陳述簡單化，但是還可能不自覺地凡爾賽，非專業觀眾如果看不下去就請自行跳過。

上圖中，上方的是傳統60W電源, 下面是我們小型化的60W。

和傳統60W充電器相比，這個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替代傳統的線繞結構。變壓器的線圈分別畫在十層電路板上，雖然這樣可以節省空間，但是也帶來了挑戰：首先電路板的走線和傳統繞線比，阻抗會比較大，會產生更多熱損耗；其次電路板是多層結構，每層線圈距離近接觸面積大，學過中學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題。如果把每層線圈的距離拉開，那么又會增加漏感造成多余能量的浪費。以上這些問題，都需要工程師不斷仿真調試，找到最優的布線方式以及十層電路板最佳疊構。

言歸正題，在網上買了三個USB typeC的轉接頭，轉了幾次方向之后，把輸出口從頂部改到側面。

在電影上D2-R2頭上的指示燈是會閃爍的。在頭盔上裝上LED燈，并不是難事，但是這樣的改裝會增加產品的待機功耗，也罷，只好犧牲吳工家的電費還原影片中的真實一幕吧。

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，但是很不幸當吳工完成這個銀河系最酷的電源的時候，疫情來了。和客戶的所有互動無限期停止了。吳工可能又做了件徒勞無功的事情。

｜后記｜

吳工剛入行的時候，隨一個大牛同事去臺灣出差，剛好桌子有個臺灣同事的產品。這位大牛同事拿起來端詳許久，然后很不屑地冷笑說，這個電源是modify我的設計，但抄都不會抄。我用一個元件搞定，他竟然用了三個！正好被旁邊同事聽到了，他說你知不知道三個低壓元件的價格加一起比一個高壓元件還要便宜？

這三個元件的故事連同三個小豬三個和尚的故事一樣啟蒙了剛當工程師不久的吳工。讓吳工知道山外有山，永遠不要妄議別人的設計。沒有親歷過，你猜不透個中的巧妙，也不能體會其中的苦…… 回想在這個團隊工作的十幾年，大家未必是技術水平最高的但都是實實在在做每個產品，從未想過投機取巧。慢慢的大家都變成了悲觀的人，不相信運氣也不相信捷徑，只相信出來混遲早是要還的。記得一個剛入職不久的工程師和吳工說，他的太太抱怨說他自從來公司上班以后，變得越來不陽光了…… 吳工聽聞捻須暗喜道，你已經出師啦！