我的破笔记本有救了！手搓雷电4显卡坞！全开源了……

工程名称：【全网首发】雷电4笔记本电脑显卡坞

前言

手搓了一个雷电4显卡盒（拓展坞）！

基于JHL7440主控设计！

小编看完表示：什么？我的破笔记本也能用上RTX3060Ti了？！

01显卡盒功能/亮点？

1.支持为笔记本和小主机连接：显卡、高速网卡、FPGA开发板、支持PCI-E接口的计算机外设

2.支持氮化镓供电，还具有UPS（不间断电源），宽电压供电等功能

3.支持最大显卡功率：240W

4.笔记本与显卡坞共用一个电源，支持为笔记本反向充电

5.PD口最大反向供电功率：PD3.1@140W

6.雷电口最大反向供电功率：PD3.0@60W

7.雷电传输数据带宽：32Gbps

8.尺寸：190x148x68mm(长x宽x高)，方便携带

9.各种保护拉满，防止损坏电脑和显卡，甚至电源突然断开时，电池组会继续为显卡盒和用户笔记本供电，避免了突然断电时游戏卡死数据丢失的问题。

想实现这些功能，如何进行电路设计呢？

02电路设计原理

01设计图

硬件电路主要分为两块PCB：

一块是显卡盒主板，负责电源、PCI-E高速线、电池管理。一块是MCU PCB，负责电池参数显示、断电警报。

主板PCB

ThunderBolt Module2 and PCI-E

DC-DC Converter

PowerPath

Charger and Gauge

PD3.1 Power Supply

MCU_Board

MCU_Board原理图

主板PCB下单时选择：JLC04161H-3313层压结构，需要阻抗管控，±20%，1.6mm板厚。

02工作原理

主板电源树如图

系统电源可以分为两种工作状态：

第一种工作状态是，由外部电源适配器供电时，从左上看12~24Vin是外部电源适配器输入，进入系统后分为两路：

一路送至Charger，经过BQ40z50电量计给电池充电；另一路送至PowerPath电路，PowerPath电路会判断主电源是否正常。

如果正常，主电源放电mos打开，备用电源放电mos关闭，由主电源为后级电路供电。后级PowerSwitch是电源开关电路，Pmos是高侧开关，当用户把机械开关闭合后Pmos会导通，后级电源全部上电。

第二种工作状态是，由电池为系统供电时，从左看4S Li-ion电池经过BQ40z50电量计，进入PowerPath电路，外部电源断开，PowerPath将电池放电mos打开，选择电池为后级系统供电。

当适配器电压低于10.8V时，PowerPath会选择使用电池供电，当适配器电压回升到11.8v时，切换到适配器供电。

03设计原理

显卡供电电源（LM34936）方案介绍

项目需要支持宽电压（11-24v）供电，因为显卡工作电压是12V，所以输入要经过一个DC-DC电源变换器再为显卡供电。

又因为RTX3060TI显卡满载功耗可以达到240W，动态范围较大，所以要使用一个效率高、动态响应好的DC-DC电源。

此项目使用TI的LM34936方案。

LM34936是一个buck-boost拓扑架构的DC-DC电源控制器，支持4.2-30V宽电压输入，在buck和boost模式下均使用电流控制（current-mode）具有卓越的动态响应性能。使用德州仪器WEBENCH电源设计软件生成电路图后进行仿真，电源效率可以达到97.2%，动态响应仿真如图：

PowerPath模块介绍

由于两个电源都可以为显卡盒进行供电，并且当主电源断开后副电源需要立刻代替主电源为设备供电，不可以有切换延时。所以选择LTC4416芯片。LTC4416是双通道电源路径管理芯片，使用硬件比较器控制电源切换电路，可以达到最快的电源切换。

实测在20V 20A负载下可以做到0s切换，如图：

图中1通道是电源适配器输出电压，2通道是PowerPath电路输出的电压。在240mS左右，外部适配器断电（1通道），断电的瞬间PowerPath电路切换至副电源供电，电压降至副电源电压（2通道）。

使用前需要配置3个滞回比较器的电阻，在数据手册中有公式，工程电路图中也有。

BQ40z50电量计

设备满载运行时需要400W的供电，并且负载较为动态，对电池压力较大。由于电池内部阻抗和负载动态原因，对电池电量统计有较大的考验。此项目使用具有阻抗跟踪算法的BQ40z50电量计，这个电量计可以测量电池组的阻抗，无论负载如何变化，电量计都能找到电池组的开路电压，通过前期化学参数匹配，可以得到当前开路电压对应的电量。

最后经测试，显卡盒可以稳定运行在这些设备上：redmebook14、Thinkbook 14+、Legion Y9000x