本帖最后由 丸子~ 于 2023-1-18 20:19 编辑

前言

由于手头许多18650动力电池,但是一直没有一个多节锂电池充电器,要么就是一些非常差的1A充电器,速度很慢。因此萌生了一个制作多节大电流锂电池充电器的想法。

一、芯片选型

接下来根据需求选择芯片,我的预期需求在下面几个点。

  • 由于手头有十分多的12V开关电源,所以供电需要支援12VDC输入。
  • 为了方便使用,支援Type-C快充输入。
  • 单节锂电池充电电流最大要到3000mA,可以多节同时使用。
  • 支援个性化指示灯设置。
根据需求我们可以设计一个框架。包含三个部分:电源输入电路、DC—DC电路、充电管理电路。
1、电源输入电路
根据我们的需求,由于支持12VDC输入,所以采用接线端子以及DC输入接口。输入电压范围可以在12V上下浮动。由于支持Type-C快充输入,需要选择一片输入快充诱骗芯片,使电路可以支持各类快充协议。经过筛选,选择了常见的CH224K作为PD协议诱骗芯片。经测试,该芯片支持PD协议、QC协议等多种快充协议,使用手机充电器即可进行供电。
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根据设计这三个输入口并联向后级DC—DC电路输出电压。再该设计中,使用Type-C输入诱骗PD协议后,DC口和接线端子接口同时可以向外输入诱骗到的电压,同时兼有诱骗器的功能。
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2、DC—DC电路
DC—DC电路是连接前后两个电路的桥梁。由于前级输出为12V电压且可以浮动,而充电管理芯片多数为5V输入。所以DC—DC电路要将12V电压降压至5V。由于后级预设四路锂电池充电电路单路支持3A电流,此时满载电流将高达近12A,此时普通的DC—DC降压芯片例如LM2596使用起来已经十分吃力,并且发热严重。在该电路中采用了降压模块FPDK12SR8003,该模块是在一次偶然经历中发现的,它是一个系列电路模块中的一种,同样大小的还有FPDK12SR8008,FPDK12SR8012,在不到硬币大的模块里支持最高到12A的电流输出,当然价格也会翻倍。该系统中使用的FPDK12SR8003支持3A输出,单片价格不到2元。而FPDK12SR8008价格已经提升到十几元一片。因此打算采用四片FPDK12SR8003并联设计。根据所需电流选择焊接模块数量。或者升级更大电流的模块,他们的电路都是完全通用的。
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下图是FPDK12SR8003模块的电流输出效率图,本方案中可以看出在12V输入时,带起负载,效率可以稳定在90%以上。而采用8V输入的效率更是逼近95%。
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该模块在12V输入、6.6V满载输出时,纹波电压低到了24mV,可见其性能确实不错。
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3、充电管理电路
经过DCDC降压,最后就是充电管理电路的设计了。由于需要最大电流3A,支持该电流的主流充电管理芯片并不是很多,最后选定了IP2312作为充电管理芯片。
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下图是IP2312的工作条件,4.5~5.5V输入,最大3A充电电流。并且支持NTC,完全满足需求。
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二、电路设计
在芯片选型完成之后,参考参数手册以及预期要求进行电路设计。
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上图是电源输入电路,JP1为脚距5.08的接线端子,CON1为DC电源接口。Type-C输入采用CH224K来进行诱骗。在整个设计中,模块之间以及电路关键位置均留有DeBug接口,方便后期测试。在使用Type-C输入时,诱骗得到的电压可以通过接线端子和DC接口输出。也可以采用DC接口或者接线端子供电,由于没有直接和CH224K进行电气连接,该种供电方式不会造成电压倒灌对CH224K造成损坏。
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中间DCDC电路部分采用四片FPDK12SR8003并联输出,实际电路中可以根据电流需要只焊接满足电流的片数,也可以更换更大电流的同系列模块。电路输入端依旧设置有DeBug接口并且给电源设置有指示灯。
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根据参数手册对IP2312进行配置,由于输入电压较低,采用钽电容滤波。对两颗指示灯进行配置,暂时设置充电电流为2.1A,根据后续需求可改为3A。整体设计比较简单。难度较小。
三、PCB绘制
PCB的绘制比较简单,对元器件进行排布。正面需要安放电池座,以及电源输入和充电指示灯。因此其他芯片等电路需要放置到底层。四角采用铜柱架空,可以方便散热。
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顶部走线比较少,采用大面积铺铜,大电流走线采用加宽处理。
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底部为主要元器件的走线区域。首先要对元器件按照功能进行分区,这样在后续的测试以及维修中,可以方便的检测和测试,是一种比较好的布线习惯。
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上图为3D视图,在合理配置封装文件后便可以通过3D视图快速预览成品的大致外貌,有个心理预期。在手动检查无问题、以及经过DRC检验无报错后便可以发厂打样。

四、电路测试
在发厂打样后不久便收到了电路板。这次打样采用了白色阻焊。由于在电路中采用了许多DeBug接口,所以各个电路模块之间完全独立。可以直接焊接后进行一步一步的测试。一些贴片元件的焊接比较考验基本功。
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Type-C居中,在每颗电池座前端为充电指示灯,蓝色为充满、橘黄代表充电中。背面为主要元器件分布的地方。
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其中蓝色方框为PD诱骗电路、绿色方框内为DC-DC降压电路、红色为电池充电电路。
  • PD诱骗电路:该芯片外围电路十分简单,只需简单配置几个电阻便可设置需要诱骗的电压。芯片会根据输入电源适配器的支持情况自动诱骗合适档位。 6.jpg
  • DC-DC降压电路:这个模块的性能十分不错,由于反馈电阻值不好匹配,便采用了多个电阻串并联来给它配置反馈电阻。不然其外围元件将十分精简。
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  • 电池充电电路:钽电容输入输出滤波,采用一体铁氧体电感,各个参数给的都很充足。
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在设置电池整体测试无误后,确认可以正常使用,后续可以进行负载等功率疲劳测试。
总结
这个小东西是我很早就想做的了,一直到今天才完成,其中每个环节的设计都不是很难,主要考验一些细节的注意。在这个小东西的制作中我也学习到了很多东西。这个制作流程是一个连续的环节,中间不能放松,不能停止,不然容易搁置。目前它的完成手头也算有了个合适的工具给锂电池们快速充电。