IC過熱、MOS關(guān)斷尖峰偏高...一個(gè)充電寶引發(fā)的思考

一、前言

隨著人們對(duì)智能手機(jī)依賴程度的不斷增加，移動(dòng)電源成為保持設(shè)備持續(xù)使用的重要裝備，由于目前市面上的共享充電寶都漲價(jià)了，為了出行方便，于是產(chǎn)生了自己DIY個(gè)充電寶的想法。

最終成品

二、設(shè)計(jì)方案

移動(dòng)電源的工作原理并不難，除了鋰電電芯及其過充過放相關(guān)保護(hù)電路外，主要增加了一個(gè)升壓電路，把鋰電池的電壓升至5V輸出供電。 

在網(wǎng)上找到一顆集成了升壓轉(zhuǎn)換器、鋰電池充電管理和電池電量指示的多功能電源管理IC IP5306，可以說功能非常之全面及強(qiáng)大，一顆IC就把移動(dòng)電源所需的功能實(shí)現(xiàn)。

1.同步升壓系統(tǒng)：提供最大2.4A的輸出電流，轉(zhuǎn)換效率高至92%?？蛰d時(shí)，IP5306會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流降至100uA。

2.開關(guān)充電技術(shù)：提供最大2.1A的電流，充電效率高至91%。內(nèi)置IC溫度和輸入電壓智能調(diào)節(jié)充電電流，支持1、2、3、4顆LED電量顯示。

3.內(nèi)置電源路徑管理：支持邊充邊放的功能。

4.自適應(yīng)充電電流調(diào)節(jié)：可以自適應(yīng)適配器。   

5.自動(dòng)檢測(cè)手機(jī)插入和拔出：具有自動(dòng)檢測(cè)功能。

并且輸入輸出帶過充過放，過流、過壓、短路保護(hù)等具多重保護(hù)、高可靠性。

如下典型應(yīng)用原理圖。

三、PCB和外殼設(shè)計(jì)

根據(jù)原理圖進(jìn)行PCBlayou和外殼設(shè)計(jì)，考慮現(xiàn)成物料的通用性，電量指示燈和照明燈都采用了現(xiàn)有物料的2835封裝的LED。

PCB設(shè)計(jì)尺寸長(zhǎng)68mm*寬10mm,因尺寸太窄所以采用雙面板工藝，又考慮DIY工藝的可操作性，PCB頂層設(shè)放主要貼片的元件，通過錫膏上加熱臺(tái)焊接，底層的放置可以通過手工焊接的電阻電容，這樣就可以先通過加熱臺(tái)把上層的元件焊接完成，再通過烙鐵把底層的元件進(jìn)行手工焊接了。

因?yàn)镮P5306還支出按鍵操作和照明功能,所以外殼頂蓋部分設(shè)計(jì)了輕觸開關(guān)小孔和照明LED的窗口，照明窗口裝上個(gè)透明的小方塊即可進(jìn)行密封和照明。

輕觸開關(guān)短按一下會(huì)打開電量指示燈和升壓輸出，長(zhǎng)按2S時(shí)會(huì)開啟照明燈，1s 內(nèi)連續(xù)兩次短按鍵，會(huì)關(guān)閉升壓輸出、電量顯示和照明 LED，如下設(shè)計(jì)完成的PCB和外殼效果。

四、樣板制作和測(cè)試

PCB和相關(guān)物料回來(lái)后進(jìn)行加熱臺(tái)焊接及手工焊接，然后對(duì)其基本功能進(jìn)行測(cè)試。

1、充電功能

采用直流穩(wěn)壓電源5V輸入，采用電子負(fù)載儀連接到PCB上的電池端，設(shè)定恒壓模式模擬電池在不同電壓下的充電電流參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

由于電流較大，輸入導(dǎo)線存在壓降，所以采用萬(wàn)用表接在輸入端確保電壓的準(zhǔn)確性。

模擬電池不同電壓下的充電電流及相關(guān)參數(shù)

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，電池在額定3.7V時(shí)充電效率為91.57%  符合規(guī)格書宣稱的91%充電效率。由于BUCK降壓電路特性，在負(fù)載在最低時(shí)，存在最大壓差，此時(shí)電路工作在最惡劣條件狀態(tài)，在2.9V時(shí)，效率為最低88.9%。電池電壓在臨近2.9V或以下時(shí)會(huì)切換為涓流充電模式，充電電流100mA。 

對(duì)不同條件下的關(guān)鍵波形和溫度進(jìn)行測(cè)試確認(rèn)，如下圖為2.9V充電時(shí)，Pin5對(duì)地的開關(guān)波形和對(duì)應(yīng)條件下IC的測(cè)試溫度：

① 開關(guān)的尖峰電壓在正常范圍內(nèi)，沒問題。

②環(huán)境溫度17°條件下，持續(xù)老化20分鐘左右測(cè)得IC溫度只有70°C，溫升也是沒問題的。

2、放電功能： 

把鋰電池3-4.2V電壓通過同步升壓電路，轉(zhuǎn)換為5V電壓輸出。

采用直流穩(wěn)壓電路接電池端，電子負(fù)載儀接PCB輸出端，模擬電池在不同電壓下輸出最大5V 2.4A時(shí)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。  

電池電壓在3.7V時(shí)，2.4A  5V輸出效率91.2%，接近規(guī)格書宣稱的92%效率。

同理升壓時(shí)，電池電壓在最低3V時(shí)，存在最大壓差，此時(shí)電路工作在最惡劣條件狀態(tài)，效率只有86.9%，而當(dāng)電池電壓低于3V時(shí)則進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，不工作輸出。

對(duì)不同條件下的關(guān)鍵波形也進(jìn)行確認(rèn)，如下圖為電池電壓3V升壓5V 2.4A進(jìn)行輸出時(shí)，Pin5對(duì)地的開關(guān)波形和對(duì)應(yīng)條件下IC的測(cè)試溫度：

內(nèi)部MOS關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰有點(diǎn)偏高，但還是可以接受的。   

環(huán)境溫度17°C條件下，持續(xù)輸出20分鐘左右，IC 溫度就去到了104°C，顯然IC溫度也過高了，如果是放進(jìn)密封的外殼持續(xù)工作最起碼上110°以上了。

針對(duì)以上兩個(gè)問題進(jìn)行改善：

MOS管的關(guān)斷尖峰有點(diǎn)無(wú)解了，一般情況下可以通過改變其開關(guān)速度或MOS的結(jié)電容解決的，目前是內(nèi)置MOS就不好處理了，功率電感是緊挨著IC引腳的，PCB布線也沒有需要改善的地方了，只能加RC吸收了。

對(duì)于IC溫升過高問題：①把PCB銅箔厚度由1OZ改為2OZ，理論上有利于減少走線內(nèi)阻產(chǎn)生的損耗，有利于降低走線的等效電感，降低開關(guān)尖峰，從而提升電源效率，降低功耗。②加大IC封裝的散熱覆銅面積，并在IC散熱焊盤的背面區(qū)域設(shè)計(jì)出一片露銅工藝，通過IC底部焊盤上錫改善IC導(dǎo)熱散熱。③把PCB厚度由1.2改為1.0，改薄后可以降低了PCB熱阻，使得IC能通過PCB或過孔更好的把熱量傳導(dǎo)到底部PCB散熱。以上幾點(diǎn)理論上均有助于改善IC導(dǎo)熱散熱，實(shí)在不行就只能通過PCB灌膠方式把熱量傳導(dǎo)到整個(gè)外殼進(jìn)行散熱了。

改善效果只能后續(xù)再驗(yàn)證了，收到3D打印的外殼后就迫不及待的進(jìn)行試裝確認(rèn)了。   

找了一款86x64x4.5mm尺寸的手機(jī)舊電池接線后，放進(jìn)外殼，蓋上蓋就完成了。

需要注意的是對(duì)于鋰電池的選型要結(jié)合廠家提供的技術(shù)參數(shù)和PCB的最大充放電電流確定的，舉個(gè)栗子，如果廠家提供電池最大充電電流參數(shù)為0.5C的，目前我們3500mA.h電池最大的充電電流就是3500x0.5=1750mA了，如果接入我們最大充電電流2.79A的PCB，那么就超了，有可能會(huì)因電流過大導(dǎo)致電池直接損壞或縮短壽命的；倘若廠家給的最大參數(shù)為1C，就是3500x1=3.5A了，接入我們最大2.79A的充電PCB是完全沒問題了，放電參數(shù)同理。由于無(wú)法找到我們所用舊電池的最大充電參數(shù)，而且是DIY自己用的，也就無(wú)所謂了。   

完成后實(shí)物圖，外殼的USB口尺寸開了有點(diǎn)偏大，其他都還好。

五、關(guān)于IP5306同步升降壓原理及注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)IP5306規(guī)格書是沒有對(duì)應(yīng)IC內(nèi)部框圖資料的，在網(wǎng)上也找不到相關(guān)信息，為了對(duì)IC有深一步了解，我們找到了類似的一顆IC的內(nèi)部框圖，結(jié)合應(yīng)用電路，來(lái)了解到了其同步升降壓的工作原理。

電池充電時(shí)由 Q3,Q4，電感L組成BUCK降壓電路，Q1、2,正常狀態(tài)為常導(dǎo)通的，Q3為開關(guān)管，Q4為同步MOS管替代二極管減少功耗作用。   

Q3 MOS管導(dǎo)通，Q4關(guān)斷時(shí)；5V電壓加在電感和電池上，電壓給電池和電感充電，充電電流為紅色箭頭方向。

Q3關(guān)斷，Q4導(dǎo)通時(shí)，電感L又放電給電池充電，充電電流為藍(lán)色箭頭方向。

電池放電時(shí)，由 Q3,Q4，電感L組成同步BOOST升壓電路，Q4變?yōu)榱碎_關(guān)管作用，Q3變?yōu)榱送組OS管作用。

Q4導(dǎo)通，Q3關(guān)閉時(shí)，電池放電給電感儲(chǔ)能，電流方向?yàn)榧t色箭頭方向；Q4關(guān)閉，Q3導(dǎo)通時(shí)，電感L進(jìn)行放電，電感電壓和電池電壓疊加實(shí)現(xiàn)5V輸出。   

一邊充電一邊放電時(shí)，Q1,Q2導(dǎo)通后，輸入輸出就相當(dāng)于導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)了邊充電邊放電功能。

在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)IP5306這款I(lǐng)C宣稱最大輸出電流2.4A，而實(shí)際上IC本身并沒有2.4A恒流或限流功能，就是輸出時(shí)可以去到5V 2.6、2.7A或更大的電流，超額輸出就意味著有可能出現(xiàn)故障了。如果只是給手機(jī)平板這些自帶電流保護(hù)的設(shè)備充電還好，如果是給其他沒電流保護(hù)的設(shè)備充電，有可能會(huì)因輸出電流過大，燒壞IP5306 IC或者充電設(shè)備。

六、總結(jié)

讀萬(wàn)卷書不如走千里路，只是看各種技術(shù)資料，很多問題都看不出來(lái)，還得在實(shí)際項(xiàng)目中通過不斷實(shí)踐驗(yàn)證才能學(xué)習(xí)成長(zhǎng)。

此次DIY 一個(gè)小小的移動(dòng)電源，可以說收獲良多，除了熟悉了IP5306這款I(lǐng)C的應(yīng)用外，還對(duì)同步升降壓電路也有了進(jìn)一步了解，在DIY過程中也發(fā)現(xiàn)了很多比IP5306 功能更加強(qiáng)大，功能更全面的IC方案，期待后續(xù)的測(cè)試驗(yàn)證。