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        快充協(xié)議下的移動(dòng)充電寶的設(shè)計(jì)與制作

        2021-04-11 14:56:50陜西省電子信息學(xué)校
        電子世界 2021年6期
        關(guān)鍵詞:電路板鋰電池電量

        陜西省電子信息學(xué)校 姚 勇

        本文主要介紹我們親手制作的一款帶有快充協(xié)議下的移動(dòng)電源過(guò)程,是利用IP5358電壓管理芯片,對(duì)單顆18650鋰電池進(jìn)行智能升降壓,帶有數(shù)碼管顯示電量,并且可支持各種協(xié)議下的快速充電模式,同時(shí)兼有溫度檢測(cè)功能,預(yù)防移動(dòng)充電寶在使用中的溫度過(guò)高的危險(xiǎn)。

        1 充電寶的技術(shù)要求

        充電寶一般使用18650鋰電池作為電源,單顆18650鋰電池的容量在2000mAH~3300mAH左右。能隨時(shí)隨地給智能數(shù)碼產(chǎn)品提供備用電源,充電必須符合充電的技術(shù)要求:(1)輸出電壓5V,額定電流至少1A;(2)相對(duì)于快充來(lái)說(shuō),還要具備各種快充協(xié)議。

        2 充電寶設(shè)計(jì)電路及原理

        2.1 充電寶設(shè)計(jì)電路組成

        充電寶電路板最基本需要三個(gè)電路部分構(gòu)成。

        (1)電池充放電管理:鋰電池充電電流變化敏感度較高,因此要用電路來(lái)限制變化,以此來(lái)提高鋰電池的使用壽命;

        (2)電壓升高輸出:把鋰電池的電壓提升到電子產(chǎn)品需要的電壓;

        (3)電量數(shù)碼指示:電量多少的指示為使用者提供直觀的電量參考,可顯示充電寶剩余電量。

        現(xiàn)在我們知道了充電寶電路的最基本構(gòu)成,那就需要把它搭建成一個(gè)整體電路即可我們要做的是一個(gè)低成本的充電寶電路,那么,使用較少的元器件顯然是較低成本的。此次我們使用芯片IP5358做為制作充電寶管理電路。

        2.2 IP5358充電寶管理芯片

        芯片IP5358是一款具有QC2.0/QC3.0/VOOC/SCP輸出快充協(xié)議、AFC/FCP/SFCP IO快充協(xié)議、MTK PE+1.1&2.0輸出快充協(xié)議、USBC/PD2.0/PD3.0IO協(xié)議、USB C PD3.0 PPS輸出協(xié)議、兼容BC1.2 /三星/蘋果手機(jī)、同步升/降壓的轉(zhuǎn)換器、鋰電池充電管理、電池電量顯示等多功能的電源管理SOC,為快充移動(dòng)電源提供比較完整的解決方案。

        IP5358具有高集成度與非常豐富功能,只需準(zhǔn)備一個(gè)電感,就可以實(shí)現(xiàn)降壓與升壓功能,在使用時(shí)僅需極少的外圍器件,有效降低了整體方案的尺寸,降低BOM成本。

        IP5358的升壓系統(tǒng)能提供最大18W輸出能力,即使電池電壓較低時(shí)輸出18W仍能保持效率90%以上。空載時(shí),可以自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。IP5358的同步開關(guān)充電系統(tǒng),提供高達(dá)5.0A充電電流。內(nèi)置IC溫度、電池溫度和輸入電壓控制電路,可智能調(diào)節(jié)好充電電流。

        IP5358內(nèi)置電量計(jì)算方法,可準(zhǔn)確無(wú)誤的獲取電池電量數(shù)據(jù)??色@得定制電池電量曲線,用來(lái)精準(zhǔn)顯示電池電量。

        IP5358支持1~4顆LED電量顯示,支持88、188等多種數(shù)碼管電量顯示;還支持照明功能;支持按鍵。

        2.3 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        在我們制作此產(chǎn)品的過(guò)程中,比較困難是如何設(shè)計(jì)充電寶外形和材料的問(wèn)題,雖然說(shuō)可以使用學(xué)校的3D打印技術(shù),但是還需設(shè)計(jì)模型等,作為小成本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),還是太困難?,F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的充電寶外形琳瑯滿目,各式各樣的外形吸引著人們的眼球,所以設(shè)計(jì)一個(gè)好的簡(jiǎn)單的外形肯定會(huì)為我們?cè)龇植簧?。而且在美觀的前提下,又要保持外殼材料的實(shí)用和耐用和安全性,最終人們商討下定了一個(gè)模型,方便于后期的制作沒(méi)有太大難度,因此我們選用四個(gè)銅柱來(lái)支撐電路板來(lái)完成我們的產(chǎn)品。

        圖1 電池管理電路部分原理圖

        3 充電寶的制作

        3.1 充電寶電路原理圖的設(shè)計(jì)

        首先我們主要以電池管理電路設(shè)計(jì)為主,外觀結(jié)構(gòu)以四個(gè)銅柱作為支撐,上下兩個(gè)電路板作為電池的正負(fù)電極很好的接觸面,同時(shí)用來(lái)固定鋰電池。電池管理電路板為最上層一板,它包括請(qǐng)充放電接口,電量數(shù)碼顯示電路等。

        根據(jù)IP5358芯片的基本知識(shí),我們得到它的典型電路圖,外圍電路如圖1所示:(1)電量數(shù)碼管顯示電路部分;(2)快充狀態(tài)指示電路;按鍵電路部分;(3)充放電Type-c接口電路。

        3.2 充電寶管理電路PCB的設(shè)計(jì)

        根據(jù)原理圖進(jìn)行對(duì)PCB板的布局與布線,采用兩面布局,統(tǒng)一使用貼片元件。

        芯片工作的功率和電流都比較大,VSYS網(wǎng)絡(luò)上電容的位置會(huì)影響到DCDC工作的穩(wěn)定性。VSYS網(wǎng)絡(luò)上的電容需要盡可能靠近IC的VSYS引腳和EPAD,并且大面積鋪銅,多增加一些過(guò)孔,以減小電容與IC之間電流環(huán)流的面積,減小寄生參數(shù)。數(shù)碼管顯示安裝到側(cè)面,不占用電路板尺寸,是電路板更加小巧,更合理的分配空間,小巧便捷易攜帶。

        PCB板的制作,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳PCB板圖,更便捷的制作出是我們親手設(shè)計(jì)的電路板實(shí)物。按照清單采購(gòu)合適元器件,進(jìn)行對(duì)電路的裝配與調(diào)試工作。

        3.3 充電寶管理電路的裝配

        自制快充移動(dòng)電源,需要手動(dòng)焊接電路板,IP5358芯片焊接,必須防止虛焊。虛焊是指焊料和焊料表面之間沒(méi)有合金結(jié)構(gòu),而是簡(jiǎn)單地附著在焊接金屬表面上。在焊接中,如果僅形成合金的一部分而其余部分不形成,則焊點(diǎn)也可以在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)電流,并且難以發(fā)現(xiàn)儀器的問(wèn)題。然而,隨著時(shí)間的推移,不形成合金的表面會(huì)被氧化,這將導(dǎo)致時(shí)間打開和斷裂的現(xiàn)象,這必然會(huì)引起產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。

        4 充電寶的測(cè)試

        現(xiàn)在我們通過(guò)USB電壓表,可以測(cè)試出我們自己制作的這款快充協(xié)議下的充電寶,是否工作正常。

        IP5358集成USB C Power Delivery PD2.0/PD3.0/PPS協(xié)議,集成物理層協(xié)議(PHY)、硬件雙向標(biāo)記編解碼(BMC)模塊。

        支持PD2.0/PD3.0雙向輸入/輸出協(xié)議,支持PPS輸出協(xié)議。輸入支持5V,9V電壓檔位,輸出支持5V,9V,12V電壓檔位輸出廣播能力5V/2.4A,9V/2.0A,12V/1.5A,PPS3.3~5.9V/3A,5~11V/1.5A,支持18W功率輸出。

        5 充電寶制作過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)

        首先,充電寶設(shè)計(jì)時(shí),首要是保證輸出電壓為5V,輸出的電流1A以上,如果輸出電流太小,將無(wú)法給手機(jī)充電或者無(wú)法快速充電。IP5358芯片可以很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。其次,充電寶的PCB板圖的繪制,我們?cè)诮?jīng)過(guò)多次的打樣,多次的嘗試手工焊接裝配,反復(fù)的調(diào)試測(cè)試,過(guò)程中因二極管的焊接失誤,燒壞過(guò)芯片,并且電路板的大小也是在多次改進(jìn)是逐漸成熟的。最后,功率問(wèn)題也是考慮的關(guān)鍵點(diǎn),即就是電池的利用率的問(wèn)題。

        結(jié)論:隨著快速充電進(jìn)步,type c充電口的快速普及。充電速度的發(fā)展大量的設(shè)備采用了C口化。而這款充電寶可以自動(dòng)識(shí)別充電與放電面對(duì)手機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)。放點(diǎn)面對(duì)pd充電器,識(shí)別自動(dòng)充電。一線通,出門只需帶一根線即可達(dá)到手機(jī)與電腦的互傳以及充電以及周邊設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。

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