快充協議下的移動充電寶的設計與制作

陜西省電子信息學校 姚 勇

本文主要介紹我們親手制作的一款帶有快充協議下的移動電源過程，是利用IP5358電壓管理芯片，對單顆18650鋰電池進行智能升降壓，帶有數碼管顯示電量，并且可支持各種協議下的快速充電模式，同時兼有溫度檢測功能，預防移動充電寶在使用中的溫度過高的危險。

1 充電寶的技術要求

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。能隨時隨地給智能數碼產品提供備用電源，充電必須符合充電的技術要求：（1）輸出電壓5V，額定電流至少1A；（2）相對于快充來說，還要具備各種快充協議。

2 充電寶設計電路及原理

2.1 充電寶設計電路組成

充電寶電路板最基本需要三個電路部分構成。

（1）電池充放電管理：鋰電池充電電流變化敏感度較高，因此要用電路來限制變化，以此來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品需要的電壓；

（3）電量數碼指示：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。

現在我們知道了充電寶電路的最基本構成，那就需要把它搭建成一個整體電路即可我們要做的是一個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輸出快充協議、AFC/FCP/SFCP IO快充協議、MTK PE+1.1&2.0輸出快充協議、USBC/PD2.0/PD3.0IO協議、USB C PD3.0 PPS輸出協議、兼容BC1.2 /三星/蘋果手機、同步升/降壓的轉換器、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，只需準備一個電感，就可以實現降壓與升壓功能，在使用時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的升壓系統能提供最大18W輸出能力，即使電池電壓較低時輸出18W仍能保持效率90%以上。空載時，可以自動進入休眠狀態。IP5358的同步開關充電系統，提供高達5.0A充電電流。內置IC溫度、電池溫度和輸入電壓控制電路，可智能調節好充電電流。

IP5358內置電量計算方法，可準確無誤的獲取電池電量數據。可獲得定制電池電量曲線，用來精準顯示電池電量。

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

2.3 外形結構設計

在我們制作此產品的過程中，比較困難是如何設計充電寶外形和材料的問題，雖然說可以使用學校的3D打印技術，但是還需設計模型等，作為小成本設計來說，還是太困難。現在網絡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，所以設計一個好的簡單的外形肯定會為我們增分不少。而且在美觀的前提下，又要保持外殼材料的實用和耐用和安全性，最終人們商討下定了一個模型，方便于后期的制作沒有太大難度，因此我們選用四個銅柱來支撐電路板來完成我們的產品。

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計

首先我們主要以電池管理電路設計為主，外觀結構以四個銅柱作為支撐，上下兩個電路板作為電池的正負電極很好的接觸面，同時用來固定鋰電池。電池管理電路板為最上層一板，它包括請充放電接口，電量數碼顯示電路等。

根據IP5358芯片的基本知識，我們得到它的典型電路圖，外圍電路如圖1所示：（1）電量數碼管顯示電路部分；（2）快充狀態指示電路；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的設計

根據原理圖進行對PCB板的布局與布線，采用兩面布局，統一使用貼片元件。

芯片工作的功率和電流都比較大，VSYS網絡上電容的位置會影響到DCDC工作的穩定性。VSYS網絡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，多增加一些過孔，以減小電容與IC之間電流環流的面積，減小寄生參數。數碼管顯示安裝到側面，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，通過網絡上傳PCB板圖，更便捷的制作出是我們親手設計的電路板實物。按照清單采購合適元器件，進行對電路的裝配與調試工作。

3.3 充電寶管理電路的裝配

自制快充移動電源，需要手動焊接電路板，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有合金結構，而是簡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，則焊點也可以在短時間內通過電流，并且難以發現儀器的問題。然而，隨著時間的推移，不形成合金的表面會被氧化，這將導致時間打開和斷裂的現象，這必然會引起產品的質量問題。

4 充電寶的測試

現在我們通過USB電壓表，可以測試出我們自己制作的這款快充協議下的充電寶，是否工作正常。

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

支持PD2.0/PD3.0雙向輸入/輸出協議，支持PPS輸出協議。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 充電寶制作過程中的關鍵點

首先，充電寶設計時，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，將無法給手機充電或者無法快速充電。IP5358芯片可以很好的解決了這個問題。其次，充電寶的PCB板圖的繪制，我們在經過多次的打樣，多次的嘗試手工焊接裝配，反復的調試測試，過程中因二極管的焊接失誤，燒壞過芯片，并且電路板的大小也是在多次改進是逐漸成熟的。最后，功率問題也是考慮的關鍵點，即就是電池的利用率的問題。

結論：隨著快速充電進步，type c充電口的快速普及。充電速度的發展大量的設備采用了C口化。而這款充電寶可以自動識別充電與放電面對手機實現自動。放點面對pd充電器，識別自動充電。一線通，出門只需帶一根線即可達到手機與電腦的互傳以及充電以及周邊設備的數據交互。