Ｃ語言最終奧義｜Function pointer 函數指標在大型命令列中的應用

先前的Tiny-Aux專案從零開始製作一個隔離電源，這次ISO-Guart要用現有的隔離直流轉換器模組搭配同步降壓轉換器，提供常用的 5V 與 3.3V 輸出電壓。同時也把 PD 通訊晶片升級成STUSB4500 ，讓隔離電源能夠支援 Apple 以及 Delta 的充電器！{alertInfo}

目錄

緣起

在 Tiny-Aux 系列文章中，從數值設計到實際元件選用與應用，說明從頭開始的 Flyback 轉換器設計流程。但變壓器鐵心以及匝數是影響到轉換器的很大變因，這次改善版的 ISO-Guard 使用隔離電源模組加上 PD 通訊晶片取得 20V 電壓後，在後端加上Buck轉換器來達成與 Tiny-Aux 相同能提供隔離電源的小模組！
Tiny-Aux 在設計的時候，沒有想到兩組 Flyback 的 PID 控制計算會為 MCU 帶來這麼大的延遲，而且對於沒有程式基礎的使用者而言，想要修改或調整內部的參數都不是這麼容易。為了降低使用者門檻，這次的ISO-Guard使用CINCON 的 EC4A11 隔離電源模組，搭配 ST STUSB4500 PD 控制器來達到這次的目的。

改善方向

除了 Tiny-Aux 程式碼的理解不容易之外，專案中的兩顆變壓器是手工繞製的，在不同個體之間會存在誤差。這些變壓器的誤差最終會反映在整體轉換器的效能上面，造成轉換器的效率不相同，或者動態響應不同。現在的新方案將整個隔離電源封裝在電源模組內，就可以確保每一顆 ISO-Guard 都能擁有相同的性能參數，包含過電壓保護 (OVP)，過電流保護 (OCP) 以及效率等等。

在 PD 協議方面，先前使用的 HUSB238_002DD 在台達與頻果的充電器上沒辦法順利要到 20V 的電壓，而且也沒辦法指定特定電壓輸入，像是 9V, 12V 等等。雖然 PD 通訊協議的變數很複雜，可能是 HUSB238_002DD 型號沒有支援 SOP' 訊號，也可能是充電器本身就不支援 HUSB238 自帶的通訊協議，又或者我的電路板 Layout 有點問題。

評估了市面上的PD控制器，後來使用 ST 生產的 STUSB4500 作為 PD 控制器，我買了一塊 Sparkfun 的開發版做測試，是可以正常應用在蘋果與台達電的充電器上，就決定把它也導入到 ISO-Guard 上，讓他的 PD 支援可以更全面也更穩定。

隔離電源模組

常見的隔離電源模組製造商除了幸康 CINCON，明偉 MINWIN 之外，台達 Delta、博大 PDuke、康舒 Acbel、光寶 Liteon 等大廠也都有做，所以是個競爭激烈的市場。也因為市場這麼大，隔離電源模組的技術早已發展純熟，大多數的產品逐漸往特殊應用場域前進，例如醫療、鐵道、極端溫度等等。
Inside an isolated DC-DC converter (with explanation and circuitry)這部影片拆解日本廠商 Murata 生產的隔離電源模組，中間的變壓器使用鐵粉芯作為導磁體，並在上面纏繞多組線圈作為變壓器繞組。

大部分小功率隔離電源模組都是使用 Flyback 架構，也有些會使用 Forward 架構。而中大功率的模組雖然也是以 Flyback 為主，但也有機會採用LLC諧振轉換器來進行開發與設計。下圖是博大生產的1/2尺寸電源磚外觀，依照比例有全尺寸電源磚，1/4磚，1/8磚等等。

電路設計

與先前設計相同，整體架構首先透過 PD 通訊晶片向充電器要求 20V 電壓，接著就直接將 20V 電壓給 CINCON 的電源模組。電源模組可以支援 18-36V 輸入電壓，因此當充電器不支援或PD控制器無法建立通訊的時候，電源模組會有過低電壓輸入保Under Voltage Protection(UVP), 或者又稱 Under Voltage Lockout (UVLO)來避免輸入電壓太低，輸入電流電流太大燒毀內部的功率開關。
輸出的部分則有多種電壓可供選擇，我這邊使用的是輸出5V的版本，讓他可以提供常用的邏輯電位與USB電壓，後面再加上先前使用的同步降壓轉換器TPS62177來把 5V 轉換成 3.3V，給 CMOS 準位或低功耗的設備使用。
首先要先設計PD控制器的線路，STUSB4500 是一顆能夠儲存三組功率物件(Power Data Object, PDO)的 PD 控制器，可以透過 I2C 設定內部暫存器來設定PDO的電壓。若沒有特別額外燒錄，則預設要求最高電源供應器能供給的電壓。下圖是 STUSB4500 的方塊圖，內部除了有 I2C 模組之外，還包含內部 1.2V 與 2.7V 穩壓器，Vbus 監控邏輯，還有最重要的 PD 控制邏輯單元以及CC pin的物理層，負責將資料轉換成電器訊號傳送出去或者接收回來。

開發版的線路很簡單，只有幾顆電阻電容，PMOS FET 作為 VBus 控制用，剩下的就是 LED 燈以及一些連接器。D5-D8是負責保護 IC 的 ESD 防靜電保護元件，當靜電發生的時候，他能夠瞬間導通將靜電的能量短路到地，避免傷害到內部 IC 造成損壞。

而隔離電源模組的規格，輸入電壓可以從 18V 到 36V，內部有 Pi 型濾波器將輸入電壓進行濾波，輸出規格則是5 V +-2%。從上一節影片中可以看到，俄離電源模組其實內部就有 MLCC 電容器再輸入端與輸出端穩壓，理論上可以不需要額外的電容濾波。但多一點電容總是好事，後端我放一個 100uF 電容來濾除高頻雜訊，同時也給後面的 Buck 轉換器一點緩衝。

有了 5V 輸出後，再加入先前使用的TPS62177，電路直教照抄 Tiny-Aux 的線路，連數值都不用改就可以產生 3.3V 電壓。
最後，一樣再加上幾顆LED燈與靜電防護元件後，整體 ISO-Guard 的線路圖如下：

Layout

Layout 主要需要將 STUSB4500 盡量靠近 TypeC 的連接端子，避免CC訊號因為走線距離而失真造成通訊失敗。接著，還有 2.7V 及 1.2V 的穩壓電容要盡量放靠近 IC 本身，才能確保IC用到的電是最乾淨的電源。
下一步是將 PMOS 連接在功率電路上，STUSB 可支援高達 5A 電流，也就是 100W 傳輸功率，因此這顆MOSFET的散熱會很重要，我們將MOSFET的Drain端撲銅盡量大一點，確保散熱。
接著是電源模組，電源模組在Layout上需要注意的事項並不多，簡單畫幾條線就可以了。
然後是最尾端的 D2D 轉換器，與 TinyAux 相同，盡量讓電感器的迴路小一點避免雜散射出去，而輸入與輸出端的電容也盡可能靠近IC本身。
最後的 Layout 彩圖與各層之間的 PDF 如下：

3D 模擬出來的樣子看起來像這樣：

電路驗證

STUSB4500 可以要求到 5A 的 PDO, 搭配 20V 的輸入電壓總公率可以高達 100W。但我們的隔離電源模組只需要約 5W 的功率，因此可以說是非常的大材小用！！

筆者使用可供應100W的充電器進行實際測試，在輸出端可以得到17.4V與5.05A，但是這時候PMOS的溫度已經高達198度！我趕緊把它關掉因為已經開始冒煙了
如果真的要應用在大功率應用，還是建議直接把PMOS位置短路起來，不然就等著放煙火慶祝了QQ

結論

這次的ISO-Guard使用CINCON生產的EC4A11 18-36轉5V隔離電源模組，搭配STUSB4500 PD控制器來達成更精簡的輔助電源模組。
這個版本除了改進原有HUSB238不支援特定充電器的問題，也讓電流能力從3A提升到5A，在未來的專案應用上也有更大的潛力。

參考資料

STUSB4500 product brief

Tiny Aux - 體積最小的輔助電源模組 設計篇 The smallest auxiliary card power - the design

Tiny Aux - 體積最小的輔助電源模組 硬體計算與實現 Tiny-Aux, the design, calculate and build

Tiny-Aux｜最小巧的輔助電源供應器(一) 系統設計與板載電源

Tiny-Aux｜最小巧的輔助電源供應器(二) 硬體參數設計