多功能移動電源製作全方案

移動電源筆記本電腦設計德州儀器工業設計電腦三洋電機 TDK DIY 電子工程師小李 2019-04-04

移動電源，也叫“外掛電池”“外置電池”“後備電池”“數碼充電伴侶”，就是方便攜帶的大容量隨身電源。它是隨著數碼產品的普及和快速增長而發展起來的，數碼產品功能日益多樣化，使用也更加頻繁，如何提高數碼產品的使用時間，持續供電的重要性就越來越凸顯了。移動電源，就是針對並解決這一問題的最佳方案。

本文介紹的移動電源具有以下特點

◆輸出電路1：USB 5V/3A輸出，功率15W。

◆輸出電路2：可調0.8～22V輸出，內電池供電功率為30W，用外部直插電源供電功率為100W。

◆帶均衡電路：帶3串電容均衡電路，並且自帶外部接口均衡，留有6孔均衡充接口，並且有均衡指示。同時，該接口還是一個多功能接口，平時無電壓輸出，但插入接口後，自動接通外部電源，可均衡，可輸出，還可以輸入，並有信號指示，且擁有過壓、過流、短路保護。

◆輸出電容：MLCC電容全部採用TDK電容，電解電容採用紅寶石130℃軍工電解電容，該電容耐熱性能高，容量不易減小，並且還採用了三洋聚合物固態電容，不會爆漿或燃燒。

◆內部電源：採用3串18650鋰離子電池，並且可以換成3塊610608的聚合物電池，總輸出電壓12.6V。

◆4路電壓液晶顯示：可顯示充電電壓、電池電壓、USB電壓、可調電壓、USB輸出電流、可調電壓輸出電流以及外部充電電流。

◆靜態電流：5μA，開啟電壓表電流30mA，開啟電池端3780為4mA。

◆可為1檯筆記本供電，並具有外部電源的UPS模式。

◆3串2600mAh電池，總功率為30W，輸出電壓為12.6V。

◆監視充電電流及負載電流。

◆尺寸：11cm×6cm×2cm。

移動電源必須具有良好的移動性和通用性。所謂移動性，是指產品能在移動狀態下(例如旅遊、戶外活動，充電器不在身邊或不方便充電的情況下)發揮其功用，即在Anywhere(任何地點)、Anytime(任何時間)，不受侷限地給數碼產品供電或充電。其通用性是指產品能夠適合最大範圍的數碼產品。其實，不僅如此，有的移動電源可以通過USB電纜線使用在任何符合 USB On-the-Go(USB-OTG)的便攜型設備上(如 USB 電燈、USB 電熱咖啡壺等)。

移動電源應用的普及，讓其設計的安全性顯得尤為重要。由於一些移動終端廠商的產品設計缺陷，我們多次聽到過手機電池爆炸傷人的事件，而造成電池爆炸的主要原因就在於電源管理部分的設計存在缺陷。因此，良好的電源管理設計是移動電源安全性的保障，也是DIY移動電源的設計重點。用18650圓柱鋰電池或條狀的鋰聚合物電池DIY的移動電源，在移動狀態中隨時隨地為多種數碼產品提供電能(供電或充電)，這是目前市場比較流行的移動電源方案。

筆者一口氣製作了3個移動電源(見圖7.1)，逐步改進並完善。第一個電源僅採用單純的LTC1700升壓方式，只能升壓到5V，供手機設備供電;第二個移動電源採用雙路LTC3780與LTC1700混合模式，可以輸出5V的USB電壓，還可輸出兩組獨立可調的電壓，用來驅動筆記本電腦等高耗電設備，並且還可以帶一隻移動的24V烙鐵，用來緊急時焊接使用;第三個移動電源就是本文要為大家介紹的製作項目，含有一路LTC3780可調電壓輸出，可用來驅動筆記本電腦，另一路3R33驅動的5V USB電壓輸出，用MAX745控制充電，採用了電容均衡電路等，是3個DIY移動電源中最為完善的。

圖7.1 筆者 DIY的3個移動電源

設計電池管理電路

目前市面上主流的移動電源基本都是單鋰電池升壓到5V的移動電源，採用的芯片也各式各樣，運用的方式也不盡相同。不管怎樣的移動電源，都有一個共同的目的，就是把不同電壓的電池輸出都統一穩定在5V電壓上，這要靠高效、安全的電池管理電路，而該電路的核心就是電池管理芯片。所以說，除了電池，移動電源的靈魂就是電池管理芯片，這一點也不為過。

不同升壓芯片的工作原理是不一樣的，有同步整流的，有肖特基整流的。從效率與可靠性上來看，同步整流的效率可以高達98%，而採用肖特基整流效率一般在90%左右。這類的主要進口芯片有凌利爾特公司的LTC1700、LTC1871、LTC3780，美信公司的MAX1703，德州儀器公司的TPS61030等，國產芯片有PT13001等。我的製作方案採用的升壓芯片是LTC3780，我認為這是款性能極為優異的芯片。不過現在凌利爾特有升級型號LTC3789，據說有恆流功能，本人用過幾塊LTC3789的DEMO板，但感覺沒有LTC3780好用，所以放棄了。

手持設備越來越多，功能也越來越複雜，帶來的耗電也隨之增加，只有5V電壓輸出往往不夠用了，大家更需要的是一種可以輸出調節電壓的移動電源，既能升壓到5V，又能根據需要調節輸出不同的電壓，如筆記本需要的電壓在16～20V。正因如此，筆者才製作了本文介紹的這個電壓調節型的移動電源，比市場上單一的5V電源功能強大多了。

常用電池管理芯片特點比對

◆從表7.1中，我們可以從幾個方面大概瞭解各個芯片的特點。

◆表7.1中的數據我再具體解釋一下：

(1)加*號的項目因為外圍元件變化大，基本不能確定;

(2)干擾主要是指對外輻射的電磁波和輸出紋波;

(3)升級空間是指通過換電容、電感、功率管等，能帶來很大的性能提升;

(4)效率峰值是指最推薦使用的電流值，在此電流下發熱最小，效率最高;

(5)待機模式，跳週期干擾稍大，但是靜態小;PWM干擾小，但是靜態耗電大;

(6)PWM模式的芯片做成正負電源效果較好，FPM芯片容易負壓不穩;

(7)穩定性是指不正常的外部環境(比如電壓波動、短路、過流等)對電路造成損壞的可能性;

(8)單管升壓的典型電路板有BAU72、BAU89、BL8530等，售價為3～10元，屬於玩具級別;

(9)PWM芯片的典型電路板有RT9262、RT9266、PT1301、UC38XX等，售價為23～35元，屬於實用級別;

(10)焊接難度等級：低——尖頭烙鐵+焊錫即可搞定;中——除了烙鐵，可能還需要吸錫帶、助焊劑等工具;高——烙鐵焊接困難，需要工具齊全。

◆表7.1中的芯片都很好，特別是同步整流的，但元器件佈局需要非常講究，否則會有很大待機電流，還有可能會發生自激。在這裡面最難佈線的是LTC3780，稍不注意就不會成功。

表7.1 常用電池管理芯片特點對比

注：本表格中的數據摘自網絡資料

選擇電池

鋰電池乃移動電源的動力之源，分成很多種類，有鋰離子電池、鋰聚合物電池、動力鋰電池、磷酸鐵鋰電池等。移動電源主要採用可充電鋰離子電池、鋰聚合物電池，一般的手持式設備裡也大多用這兩類電池，因為它們屬於高能量密度的電池，在單位體積內，儲存的電量一般比其他電池更大，重量更輕，體積更小。尤其是可充電鋰離子電池，它可以提供更高的能量密度(最高達200Wh/kg或300～400Wh/L，分別是Ni/Cd或者Ni/MeH電池的2.5倍和1.5倍)和更高的電池電壓(碳陽極電池為4.1V，石墨陽極電池為4.2V)，並具有無記憶效應，自放電率小，有可快速充放電及更高的充放電次數等優點。只要嚴格控制好鋰離子電池的充電參數，就能讓我們充分利用電池容量，延長電池壽命。利用鋰離子可充電電池，自己DIY出實用的移動電源。

本文介紹的移動電源不光從製作方面入手，我還希望將製作過程中對各個電路及芯片和鋰電池安全性方面的設計考慮與大家分享。

鋰電池分類

◆按外形分：方形(如常用的手機電池)、柱形(如18650，本文采用)。

◆按外包材料分：鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池、軟包電池。

◆按正負極材料(添加劑)分：沽酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰電池、一次性二氧化錳鋰電池、鋰離子LIB、聚合物PLB。

◆按不同的性能、用途分：

一次性：扣式3V鋰錳電池;

高容量(高平臺)：用在手機等數碼產品上;

高倍率：用在電動車和電動工具及飛機模型上;

高溫：礦燈、室上燈飾、機器內置後備電源;

低溫：室外環境、北方(冬天)、南極。

◆由於單節鋰電池的容量往往不能滿足一般手持設備的要求，如筆記本電腦之類的，所以就需要多節電池串/並聯，以提高移動電源的儲存容量。本文介紹的移動電源採用了3節2600mAh的18650電池，總容量為7800mAh，並且還可以把該電池換成3塊扁狀的鋰聚合物電池，體積更小，重量更輕。兩種電池如圖7.2所示。

圖7.2 鋰離子電池(左)與鋰聚合物電池(右)

實際電路設計

1. 充電電路

由於本次移動電源採用的是3節鋰電池串聯，所以，我選擇了美信的MAX745專用充電電路，該電路是鋰電池1～4節專用充電IC，該芯片實物與電路如圖7.3所示。

MAX745在不需要任何散熱材料的條件下，恆定充電電流可達4A，充電電壓非常穩定，電池兩端最大電壓誤差只有±0.75%。

MAX745採用雙迴路穩定充電電壓和充電電流，採用精度為1%的普通電阻，單體電池的充電電壓可在4.0～4.4V調整。如果改變其11、12腳的連接方式，MAX745充電器可對1～4節鋰離子電池充電，充電器總輸出電壓誤差小於±0.75%。MAX745的最高輸入電壓可達24V，可對最高工作電壓為18V的電池組充電。控制器開關頻率為300kHz，因此充電器噪聲很小，所用外部組件的體積也很小。

圖7.3 MAX745 與實物電路

MAX745內部可產生5.4V和4.2V兩種基準電壓。5.4 V電壓除了給該集成電路供電外，還經VL腳給外部電路供電。4.2V為該器件的基準電壓，該基準電壓通過外接電阻分壓器，可給電流誤差放大器、電壓誤差放大器及溫度誤差放大器提供不同的基準電壓，還可經REF腳給外電路供電。圖7.4是本製作採用的充電原理圖。

圖7.4 MAX745 專用充電電路

2. 升壓電路

升壓芯片採用的是凌特公司的高性能升降壓LTC3780，它是一款高性能降壓/升壓的開關型穩壓器，可在輸入電壓高於、低於或等於輸出電壓的條件下工作，並且最大轉換效率可達98%。恆定頻率電流模式架構提供了一個高達400Hz的可鎖相頻率，可以在4～30V寬輸入和輸出範圍內實現不同工作模式間的無縫切換。所以輸入電壓無論多少，輸出電壓都可以保持恆定，圖7.5是我所採用的升壓電路的原理圖，圖7.6所示為芯片與實物電路。

圖7.5 升壓電路原理圖

圖7.6 LTC3780 升壓芯片與實物電路

LTC3780轉換板與MAX745充電板設計到了一塊印製電路板上，其PCB圖如圖7.7所示。

圖7.7 LTC3780 轉換板與 MAX745 充電板 PCB

3. USB 電源電路

USB電源採用的是固定模塊3R33，該模塊市面上很普遍，價格也很便宜，該模塊的主要IC是MPD2307，是款降壓型同步整流IC，效率很高，輸出5V3A提供給USB插口。電路原理圖及模塊實物圖分別如圖7.8、圖7.9所示。

圖7.8 USB 電源模塊電路原理圖

圖7.9 USB 電源模塊 3R33

4. 電壓、電流指示電路

為了直觀顯示充電情況，我設置了電壓、電流指示功能，該功能電路採用T26單片機，設計思路是：

■ 利用AVR單片機ATtiny26L四對差分AD做兩組VI轉換;

■ 利用內部的1倍和20倍差分放大器自動轉換來測量電壓，提高精度;

■ 每個AD做256個取樣平均值;

■ 利用內部EEPROM做校正數據保存。

在對單片機ATtiny26L編程時，要注意，T26默認的系統頻率是1MHz，要通過燒T26的熔絲位將系統頻率設為8MHz。

T26雙路電壓、電流表電路的原理圖如圖7.10所示，實物電路如圖7.11所示。

圖7.10 雙路電壓、電流表電路原理圖

圖7.11 雙路電壓、電流表電路實物

5. 鋰電池保護電路

鋰電池保護IC採用精工的S8254，該系列芯片是內置高精度電壓檢測電路和延遲電路的3節串聯或者是4節串聯用鋰離子可充電池保護IC。本製作所採用的電路如圖7.12所示，實物如圖7.13所示。

圖7.12 鋰電池保護電路原理圖

圖7.13 鋰電池保護電路實物

6. 電源 UPS 切換電路

電源UPS切換電路可以實現的功能是：插入交流電後即由外部供電，並切斷與主迴路電池的供電，可發揮電壓轉換器的作用，輸出0～20V可調，一旦外部電源切斷，自動轉換為電池供電，並且無電壓重疊區。另外，當接入外部電源後，同時給充電電池，充電電流0～3.5A可調。另外，外部電源的充電閥值電壓可設置(比如設置在14V，即低於14V，不接通充電迴路，只接通升壓電路迴路)，設置閾值在12～20V。其電路原理圖及PCB圖如圖7.14所示。

圖7.14 電源 UPS 切換電路原理圖(上)與 PCB 圖(下)

7. 電容均衡電路

移動電源的電池組是由多個相同的電芯串、並聯組成的，這個過程中最重要的就是電芯的“相同”，但每個電芯是不可能完全一致的，比如內阻、容量、電壓、充電放電曲線等都會有偏差，所以在充電或者放電時會有所不同。這些偏差有可能會使電池保護板提前保護，就不能有效地利用每個電芯的能量了。因此，就需要在電池組中加上均衡板。

目前採用得最多的是充電均衡板，主要是在充電過程中，保證每一個電芯在保護範圍內都能均衡地充到某個點(滿電點)。有一些均衡板還設計了放電均衡功能，確保每個電芯在保護範圍內都能放完電量。

簡單說，均衡是為了能使電池都能充滿、都能放完電量。本文采用的均衡板是電容式均衡板，可在充電與放電時對電池進行均衡，最大均衡電流可達2A。電路原理圖、PCB圖與實物如圖7.15所示。

圖7.15 電容式均衡電路原理圖及實物

製作細節

先晒晒我的工具：百得鑽頭(見圖7.16，用來鑽孔)、打磨頭(見圖7.17，用來磨平)。

圖7.16 百得鑽頭

圖7.17 打磨頭

手工製作過程如下：

01 找到合適的鋁盒，剛好能放下各個電路板及其他附件，讓電路板、接口與電池都能安裝在該鋁盒內。我採用的全鋁合金外殼(見圖7.18)，是在網上購買的現成鋁盒，如果向廠家訂製，對個人來說，成本太高了。

圖7.18 我採用的全鋁合金外殼

02 焊好電路板(見圖7.19)，並對電路板進行多方面的測試(見圖7.20)。把電源接入充電及升壓電路板，看充電電流是否達到設計值。本製作設計的充電電流為1.5A，不接負載時，靜態電流應該在100μA以下，高於此值則說明有問題。輸出電壓可調範圍應該在0.8～30V，負載電流要求為5A，負載短路時電路要起到保護作用，沒有輸出。這些都達到要求後，則表示電路板符合要求，可以裝入鋁盒內使用了。