制作多节大电流锂电池充电器的设计思路分析

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。

 

  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。      

  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。  

  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%。  

  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。  

   

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

  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。  

 

  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。  

编辑：黄飞