如何在不構(gòu)建專(zhuān)用硬件的情況下制作充電寶原型

作者： Diarmuid Carey，核心應(yīng)用部應(yīng)用工程師

問(wèn)題：

能否在不構(gòu)建專(zhuān)用硬件的情況下制作充電寶應(yīng)用原型？

答案：

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，簡(jiǎn)短回答是肯定的，而且由于多年來(lái)許多客戶問(wèn)過(guò)這個(gè)問(wèn)題，所以本文旨在更詳細(xì)地探討此話題。本文將回顧使用現(xiàn)有評(píng)估板開(kāi)發(fā)應(yīng)用的過(guò)程，討論所遇到的挑戰(zhàn)，并概述關(guān)于進(jìn)一步修改和改進(jìn)的建議。

【資料圖】

簡(jiǎn)介

理想情況下，任何電源設(shè)計(jì)都應(yīng)該從一些基本的概念驗(yàn)證測(cè)試開(kāi)始，這通常涉及測(cè)試現(xiàn)有演示板。本演示只是簡(jiǎn)單地執(zhí)行該預(yù)先存在的步驟（在演示硬件上測(cè)試單電源軌），并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，以利用演示硬件得到一個(gè)工作系統(tǒng)。此外，由于本演示需要在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成，采用典型開(kāi)發(fā)流程——設(shè)計(jì)、布局、構(gòu)建、裝配和測(cè)試（加上任何設(shè)計(jì)迭代）——是不可能的，因此系統(tǒng)原型完全是利用現(xiàn)成的硬件制作的。

應(yīng)用

為了回答本文開(kāi)頭提出的問(wèn)題，有必要選擇一個(gè)高級(jí)應(yīng)用作為起點(diǎn)，以證明它是可能的。因此，充電寶應(yīng)用被選用來(lái)進(jìn)行概念驗(yàn)證。每個(gè)電子項(xiàng)目都離不開(kāi)電源管理，因此可以選擇任何其他應(yīng)用。

充電寶是一種非常常見(jiàn)的應(yīng)用，大多數(shù)消費(fèi)者都遇到過(guò)并使用過(guò)——例如，許多旅行者會(huì)攜帶一個(gè)充電寶，以確保其手機(jī)在長(zhǎng)途旅行中有電可充。充電寶本質(zhì)上是一個(gè)電池包（容量隨價(jià)格和所需的范圍而不同），有一個(gè)或多個(gè)USB-A端口，與一個(gè)USB-C輸入端口對(duì)其充電。當(dāng)然，在此基本功能之上添加其它復(fù)雜功能也是可能的。例如，可以增加一個(gè)無(wú)線充電板或一個(gè)輸入，以便戶外愛(ài)好者使用太陽(yáng)能對(duì)充電寶充電。

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此應(yīng)用包括的選項(xiàng)有通過(guò)太陽(yáng)能給電池充電，或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)12 V AC-DC壁式電源適配器的直流輸入進(jìn)行充電。輸出包括一些基本USB-A充電端口（總共兩個(gè)），其產(chǎn)生5 V電壓，用于移動(dòng)電話和一系列USB供電的電子設(shè)備。

硬件選擇電源選擇——LTC4416

在本示例中，設(shè)計(jì)將支持兩個(gè)輸入電源（一個(gè)太陽(yáng)能電池板和一個(gè)AC-DC壁式電源適配器，后者只是一個(gè)簡(jiǎn)單的AC-DC電源）。出于這個(gè)原因，設(shè)計(jì)需要一種稱(chēng)為功率路徑優(yōu)先排序器的靈巧器件，它不僅要根據(jù)哪個(gè)電源可用而智能切換電源，而且要管理兩個(gè)電源都可用的情況，將優(yōu)先級(jí)賦予一個(gè)電源或另一個(gè)電源。一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)版本是使用一些簡(jiǎn)單的二極管——通常連接二極管的兩個(gè)陰極，并將陽(yáng)極連接到相應(yīng)的電源。遺憾的是，由于典型二極管固有的壓降（約0.6V），這種特殊配置存在損耗，而且它也不支持實(shí)現(xiàn)任何巧妙的選擇標(biāo)準(zhǔn)，例如優(yōu)先級(jí)選擇。它只允許較高電位的輸入通過(guò)。

對(duì)于這種情況，LTC4416可以發(fā)揮作用——它不僅用效率更高的PFET取代了有損耗的二極管，而且允許指定優(yōu)先級(jí)。在這種特殊應(yīng)用中，壁式電源適配器將始終擁有較高優(yōu)先級(jí)。這樣，當(dāng)壁式電源可用時(shí)，設(shè)計(jì)就能利用該電源（并獲得更高的電流）。該器件非常靈活，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求支持多種工作模式。表1（來(lái)源于LTC4416數(shù)據(jù)手冊(cè)）顯示了工作模式。

表1.LTC4416數(shù)據(jù)手冊(cè)中的工作模式

E1	工作模式	IG(OFF)1	IG(OFF)2
1	0	負(fù)載分配	使能	使能
1	檢測(cè)	V1小于V2	使能
檢測(cè)	0	V1大于V2	使能
0	X	通道1禁用 ? 不使用	禁用
X	1	通道2禁用 ? 不使用	禁用
0	1	兩個(gè)通道均禁用	禁用	禁用

圖1.LTC4416典型應(yīng)用電路

開(kāi)關(guān)式降壓電池充電器——LTC4162-L

電池充電器之所以選擇LTC4162-L，是因?yàn)樗哂袑捿斎腚妷悍秶ǜ哌_(dá)35 V）和3.2 A的充電能力，并且集成了FET設(shè)計(jì)，使得解決方案尺寸很小。這是一種常用的全功能充電器IC，具有很大的應(yīng)用靈活性，支持許多電池化學(xué)組成，如LiFePO₄、鋰離子、鉛酸等，并且有I²C接口，允許用戶提取遙測(cè)信息。該特定應(yīng)用選擇它不僅是因?yàn)樯鲜鲚斎牒碗姵仉妷旱撵`活性，還因?yàn)樗募商匦杂兄谑菇鉀Q方案尺寸保持最小。它的另一個(gè)實(shí)用特性是最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)——如果太陽(yáng)能作為您設(shè)計(jì)的可能輸入電源之一，那么MPPT就是必備功能，用以確保設(shè)計(jì)盡可能多地獲取可用功率。LTC4162還有內(nèi)置電源路徑控制，該功能在此應(yīng)用中很有用，當(dāng)輸入電源被移除時(shí)，可以向輸出端子提供電池電壓以供下游使用。

圖2.LTC4162-L典型應(yīng)用電路

圖3.CN0509應(yīng)用電路

USB充電解決方案——CN0509

為連接的設(shè)備提供USB充電電壓所選擇的電路板來(lái)自我們的Circuits from the Lab^?參考設(shè)計(jì)和解決方案集合。通常，評(píng)估板上僅顯示單個(gè)器件，以允許對(duì)該特定器件進(jìn)行評(píng)估。然而，Circuits from the Lab電路板是一種更注重解決方案的實(shí)現(xiàn)，它利用ADI公司不同產(chǎn)品系列中的幾款產(chǎn)品來(lái)解決特定系統(tǒng)需求。

CN0509被設(shè)計(jì)成一種寬輸入范圍、雙USB電源充電器。它是為自然災(zāi)害或長(zhǎng)時(shí)間停電等緊急情況使用而開(kāi)發(fā)的。例如汽車(chē)電池就可以作為該充電器的電源，大多情況下這是可以提供。該電路板可以由汽車(chē)電池供電，提供兩個(gè)5 V端口；為了安全起見(jiàn)，這兩個(gè)端口與初級(jí)電壓隔離。您還可以提供其它各種電源，例如散裝電池組，或者將電機(jī)用作一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)電機(jī)。CN0509具有寬輸入電壓范圍，能夠在5 V至100 V范圍內(nèi)的任何電源下運(yùn)行。鑒于上述所有原因，它成為與現(xiàn)有電路板配合使用的理想選擇，可提供充電寶所需的USB充電輸出。

它還內(nèi)置極性反接保護(hù)功能，可保護(hù)電路免受錯(cuò)誤連接電源的影響。此外，它利用隔離式反激轉(zhuǎn)換器將充電器輸出與輸入電源隔離，這在使用-48 V通信備用電源作為電源時(shí)特別有用。使用這種電源可能會(huì)導(dǎo)致手機(jī)被充電到-48 V，并造成危險(xiǎn)的情況。隔離式轉(zhuǎn)換可防止這種情況發(fā)生。還有一點(diǎn)需要注意的是，CN0509板相當(dāng)小，這在很大程度上要?dú)w功于所選的高效IC和非光學(xué)反激式LT8302。一個(gè)關(guān)鍵的差異化因素是反激轉(zhuǎn)換器LT8302不需要隔離光反饋路徑。

該板上有兩個(gè)USB端口：一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)USB端口（不連接D+/D-），另一個(gè)端口有一個(gè)DCP控制器來(lái)監(jiān)視USB數(shù)據(jù)線電壓，以便支持快速充電，在5 V時(shí)提供最大2 A充電電流。能否實(shí)現(xiàn)這種較高水平的充電電流，取決于所采用的輸入電壓。根據(jù)圖4所示的性能曲線，12 V為最佳電壓。

圖4.CN0509最大充電電流與V_IN的關(guān)系

電源

選擇的主電源是60 W AC-DC 12 V適配器，這是LTC4416演示板的一個(gè)輸入。我們還購(gòu)買(mǎi)了一個(gè)相對(duì)較小的太陽(yáng)能電池板來(lái)提供一個(gè)替代輸入電源，不過(guò)該項(xiàng)目是為室內(nèi)活動(dòng)而開(kāi)發(fā)，永遠(yuǎn)不會(huì)有足夠的照明可用來(lái)為太陽(yáng)能電池充電以提供合理水平的電源，因此包含該功能只是為了演示電源路徑優(yōu)先排序器的能力和功能。

該設(shè)計(jì)被開(kāi)發(fā)成一個(gè)充電寶，因此它需要一個(gè)電池組來(lái)充當(dāng)儲(chǔ)能元件。與電池相關(guān)的運(yùn)輸限制是非常嚴(yán)格的。此演示是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的，可以購(gòu)買(mǎi)一般電池組，收到后插入其中就能運(yùn)行演示。基于這一限制，我們選擇了可充電的2節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組來(lái)運(yùn)行演示，該電池組產(chǎn)生的標(biāo)稱(chēng)電壓為7.4V，容量為2600 mAh。值得注意的是，如果需要，可以很容易地安裝更大容量的電池。

圖5.充電寶應(yīng)用樹(shù)

圖6.原型的系統(tǒng)圖

演示構(gòu)建

從構(gòu)建的角度來(lái)看，硬件是標(biāo)準(zhǔn)件，因此除了對(duì)LTC4416閾值進(jìn)行一些調(diào)整以確保輸入電源具有正確優(yōu)先級(jí)之外，不需要進(jìn)行任何電氣修改。為使演示在視覺(jué)上更具吸引力，電路板使用一些標(biāo)準(zhǔn)金屬支架安裝在簡(jiǎn)單的黑色有機(jī)玻璃板上。

為手機(jī)提供的充電電流由一個(gè)簡(jiǎn)易USB電表監(jiān)視。此設(shè)備直觀地顯示有多少電流可以給出席者的手機(jī)充電。

圖7.一個(gè)功能演示系統(tǒng)

工作性能

演示系統(tǒng)有效執(zhí)行了其核心功能。它從兩個(gè)備選電源輕松地為電池組充電，電源之間的切換由電源路徑優(yōu)先排序器很好地控制，CN0509令人滿意地為連接的USB設(shè)備充電。該充電寶還有一個(gè)許多充電寶不具備的有用功能，即它能夠同時(shí)為電池組和連接的USB設(shè)備充電。例如，我自己的充電寶（許多人會(huì)認(rèn)為它相當(dāng)高端）就不能同時(shí)為手機(jī)和充電寶本身充電，這個(gè)限制令人沮喪。

USB端口的充電電流受LTC4162能力的限制，其內(nèi)部FET設(shè)計(jì)提供最大3.2 A的電流，大部分電流在充電過(guò)程中被送至電池。剩余電流可以通過(guò)USB充電器端口使用。

只要移除輸入電源，LTC4162演示板上的電源路徑FET就會(huì)確保電池電源重定向到輸出端口，因此CN0509和USB端口總是有電源。此模式下可用充電電流會(huì)下降，其曲線如圖4所示，原因是CN0509的輸入源現(xiàn)在是電池電壓，其標(biāo)稱(chēng)值為7.4 V。

后續(xù)步驟

一旦已使用一些簡(jiǎn)單現(xiàn)成的演示板證明應(yīng)用能有效工作，下一個(gè)合理的步驟便是開(kāi)發(fā)產(chǎn)品原型，從最初的原型工作中吸取經(jīng)驗(yàn)，并將其集成到最終解決方案中。其中一部分是修改所用電路板的現(xiàn)有原理圖，移除多余的東西（測(cè)試點(diǎn)、連接器等）。然后，用戶可以開(kāi)始PCB開(kāi)發(fā)，此時(shí)我們?yōu)槊總€(gè)器件提供的資源的重要性和有用性將會(huì)展現(xiàn)。例如，優(yōu)化的演示板布局是我們?yōu)槊總€(gè)器件提供的免費(fèi)資源。雖然演示板看起來(lái)通常相當(dāng)大，但這只是為了方便測(cè)試和使用器件。仔細(xì)觀察電路板布局可以發(fā)現(xiàn)，為之開(kāi)發(fā)電路板的IC和支持電路（電阻、電容、電感等）全都被設(shè)計(jì)在盡可能小的空間中，以允許客戶將其納入自己的布局。這將為客戶提供信心，因?yàn)樗麄冎肋@是一個(gè)經(jīng)過(guò)測(cè)試的設(shè)計(jì)，他們可以在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，然后構(gòu)建自己的版本。

對(duì)于最終應(yīng)用，具有更高電壓的更大容量電池將有助于優(yōu)化提供給USB端口的充電電流量。

CN0509是一個(gè)很棒的設(shè)計(jì)，理想地滿足了需求，但對(duì)于該特定應(yīng)用，可以利用更纖薄的設(shè)計(jì)來(lái)降低充電寶的整體成本。例如，LTC7103 和輸入極性保護(hù)電路對(duì)于這種設(shè)計(jì)是不必要的，隔離反激式電源可以直接從LTC4162的輸出供電（AC-DC壁式電源適配器的12 V電壓或市電電源斷開(kāi)后的電池電壓）。

結(jié)論

使用一些現(xiàn)成的硬件和簡(jiǎn)單的電源制作一個(gè)充電寶或任何其他電源設(shè)計(jì)的原型，當(dāng)然是可行的。本文清楚地表明，使用現(xiàn)有演示板硬件可以快速地為潛在項(xiàng)目提供概念驗(yàn)證，而無(wú)需在開(kāi)發(fā)上投入太多。此外，在用戶決心開(kāi)展更集成的設(shè)計(jì)之前，這一相對(duì)較小但有價(jià)值的步驟將給用戶帶來(lái)信心。還有一點(diǎn)值得重申，電源設(shè)計(jì)（更具體而言是電源設(shè)計(jì)的布局）可能很有挑戰(zhàn)性，因此利用可用資源來(lái)縮短整體開(kāi)發(fā)時(shí)間是值得的。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Diarmuid Carey是歐洲中央應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)在愛(ài)爾蘭利默里克。他自2008年以來(lái)一直擔(dān)任應(yīng)用工程師，并于2017年加入ADI公司，為歐洲的眾多市場(chǎng)客戶提供Power by Linear?產(chǎn)品組合的設(shè)計(jì)支持。他擁有利默里克大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。

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