快充協(xié)議下的移動(dòng)充電寶的設(shè)計(jì)與制作

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(kāi)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。現(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)龇植簧佟６以诿烙^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(kāi)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。