前言
由于手頭許多18650動(dòng)力電池，但是一直沒有一個(gè)多節(jié)鋰電池充電器，要么就是一些非常差的1A充電器，速度很慢。因此萌生了一個(gè)制作多節(jié)大電流鋰電池充電器的想法。
一、芯片選型
接下來根據(jù)需求選擇芯片，我的預(yù)期需求在下面幾個(gè)點(diǎn)。
- 由于手頭有十分多的12V開關(guān)電源，所以供電需要支援12VDC輸入。
- 為了方便使用，支援Type-C快充輸入。
- 單節(jié)鋰電池充電電流最大要到3000mA，可以多節(jié)同時(shí)使用。
- 支援個(gè)性化指示燈設(shè)置。
根據(jù)需求我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)框架。包含三個(gè)部分：電源輸入電路、DC—DC電路、充電管理電路。
1、電源輸入電路
根據(jù)我們的需求，由于支持12VDC輸入，所以采用接線端子以及DC輸入接口。輸入電壓范圍可以在12V上下浮動(dòng)。由于支持Type-C快充輸入，需要選擇一片輸入快充誘騙芯片，使電路可以支持各類快充協(xié)議。經(jīng)過篩選，選擇了常見的CH224K作為PD協(xié)議誘騙芯片。經(jīng)測(cè)試，該芯片支持PD協(xié)議、QC協(xié)議等多種快充協(xié)議，使用手機(jī)充電器即可進(jìn)行供電。
根據(jù)設(shè)計(jì)這三個(gè)輸入口并聯(lián)向后級(jí)DC—DC電路輸出電壓。再該設(shè)計(jì)中，使用Type-C輸入誘騙PD協(xié)議后，DC口和接線端子接口同時(shí)可以向外輸入誘騙到的電壓，同時(shí)兼有誘騙器的功能。
2、DC—DC電路
DC—DC電路是連接前后兩個(gè)電路的橋梁。由于前級(jí)輸出為12V電壓且可以浮動(dòng)，而充電管理芯片多數(shù)為5V輸入。所以DC—DC電路要將12V電壓降壓至5V。由于后級(jí)預(yù)設(shè)四路鋰電池充電電路單路支持3A電流，此時(shí)滿載電流將高達(dá)近12A，此時(shí)普通的DC—DC降壓芯片例如LM2596使用起來已經(jīng)十分吃力，并且發(fā)熱嚴(yán)重。在該電路中采用了降壓模塊FPDK12SR8003，該模塊是在一次偶然經(jīng)歷中發(fā)現(xiàn)的，它是一個(gè)系列電路模塊中的一種，同樣大小的還有FPDK12SR8008，F(xiàn)PDK12SR8012，在不到硬幣大的模塊里支持最高到12A的電流輸出，當(dāng)然價(jià)格也會(huì)翻倍。該系統(tǒng)中使用的FPDK12SR8003支持3A輸出，單片價(jià)格不到2元。而FPDK12SR8008價(jià)格已經(jīng)提升到十幾元一片。因此打算采用四片F(xiàn)PDK12SR8003并聯(lián)設(shè)計(jì)。根據(jù)所需電流選擇焊接模塊數(shù)量?；蛘呱?jí)更大電流的模塊，他們的電路都是完全通用的。
下圖是FPDK12SR8003模塊的電流輸出效率圖，本方案中可以看出在12V輸入時(shí)，帶起負(fù)載，效率可以穩(wěn)定在90%以上。而采用8V輸入的效率更是逼近95%。
該模塊在12V輸入、6.6V滿載輸出時(shí)，紋波電壓低到了24mV，可見其性能確實(shí)不錯(cuò)。
3、充電管理電路
經(jīng)過DCDC降壓，最后就是充電管理電路的設(shè)計(jì)了。由于需要最大電流3A，支持該電流的主流充電管理芯片并不是很多，最后選定了IP2312作為充電管理芯片。
下圖是IP2312的工作條件，4.5~5.5V輸入，最大3A充電電流。并且支持NTC，完全滿足需求。
二、電路設(shè)計(jì)
在芯片選型完成之后，參考參數(shù)手冊(cè)以及預(yù)期要求進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。
上圖是電源輸入電路，JP1為腳距5.08的接線端子，CON1為DC電源接口。Type-C輸入采用CH224K來進(jìn)行誘騙。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，模塊之間以及電路關(guān)鍵位置均留有DeBug接口，方便后期測(cè)試。在使用Type-C輸入時(shí)，誘騙得到的電壓可以通過接線端子和DC接口輸出。也可以采用DC接口或者接線端子供電，由于沒有直接和CH224K進(jìn)行電氣連接，該種供電方式不會(huì)造成電壓倒灌對(duì)CH224K造成損壞。
中間DCDC電路部分采用四片F(xiàn)PDK12SR8003并聯(lián)輸出，實(shí)際電路中可以根據(jù)電流需要只焊接滿足電流的片數(shù)，也可以更換更大電流的同系列模塊。電路輸入端依舊設(shè)置有DeBug接口并且給電源設(shè)置有指示燈。
根據(jù)參數(shù)手冊(cè)對(duì)IP2312進(jìn)行配置，由于輸入電壓較低，采用鉭電容濾波。對(duì)兩顆指示燈進(jìn)行配置，暫時(shí)設(shè)置充電電流為2.1A，根據(jù)后續(xù)需求可改為3A。整體設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。難度較小。
三、PCB繪制
PCB的繪制比較簡(jiǎn)單，對(duì)元器件
進(jìn)行排布。正面需要安放電池座，以及電源輸入和充電指示燈。因此其他芯片等電路需要放置到底層。四角采用銅柱架空，可以方便散熱。
頂部走線比較少，采用大面積鋪銅，大電流走線采用加寬處理。
底部為主要元器件的走線區(qū)域。首先要對(duì)元器件按照功能進(jìn)行分區(qū)，這樣在后續(xù)的測(cè)試以及維修中，可以方便的檢測(cè)和測(cè)試，是一種比較好的布線習(xí)慣。
上圖為3D視圖，在合理配置封裝文件后便可以通過3D視圖快速預(yù)覽成品的大致外貌，有個(gè)心理預(yù)期。在手動(dòng)檢查無問題、以及經(jīng)過DRC檢驗(yàn)無報(bào)錯(cuò)后便可以發(fā)廠打樣。
四、電路測(cè)試
在發(fā)廠打樣后不久便收到了電路板。這次打樣采用了白色阻焊。由于在電路中采用了許多DeBug接口，所以各個(gè)電路模塊之間完全獨(dú)立。可以直接焊接后進(jìn)行一步一步的測(cè)試。一些貼片元件的焊接比較考驗(yàn)基本功。
Type-C居中，在每顆電池座前端為充電指示燈，藍(lán)色為充滿、橘黃代表充電中。背面為主要元器件分布的地方。
其中藍(lán)色方框?yàn)镻D誘騙電路、綠色方框內(nèi)為DC-DC降壓電路、紅色為電池充電電路。
- PD誘騙電路：該芯片外圍電路十分簡(jiǎn)單，只需簡(jiǎn)單配置幾個(gè)電阻便可設(shè)置需要誘騙的電壓。芯片會(huì)根據(jù)輸入電源適配器的支持情況自動(dòng)誘騙合適檔位。
- DC-DC降壓電路：這個(gè)模塊的性能十分不錯(cuò)，由于反饋電阻值不好匹配，便采用了多個(gè)電阻串并聯(lián)來給它配置反饋電阻。不然其外圍元件將十分精簡(jiǎn)。
- 電池充電電路：鉭電容輸入輸出濾波，采用一體鐵氧體電感，各個(gè)參數(shù)給的都很充足。
在設(shè)置電池整體測(cè)試無誤后，確認(rèn)可以正常使用，后續(xù)可以進(jìn)行負(fù)載等功率疲勞測(cè)試。
總結(jié)
這個(gè)小東西是我很早就想做的了，一直到今天才完成，其中每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都不是很難，主要考驗(yàn)一些細(xì)節(jié)的注意。在這個(gè)小東西的制作中我也學(xué)習(xí)到了很多東西。這個(gè)制作流程是一個(gè)連續(xù)的環(huán)節(jié)，中間不能放松，不能停止，不然容易擱置。目前它的完成手頭也算有了個(gè)合適的工具給鋰電池們快速充電。
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