如何在不構建專用硬件的情況下制作充電寶原型
2023-05-24 08:47:29 EETOP能否在不構建專用硬件的情況下制作充電寶應用原型？
對于這個問題，簡短回答是肯定的，而且由于多年來許多客戶問過這個問題，所以本文旨在更詳細地探討此話題。本文將回顧使用現有評估板開發應用的過程，討論所遇到的挑戰，并概述關于進一步修改和改進的建議。
理想情況下，任何電源設計都應該從一些基本的概念驗證測試開始，這通常涉及測試現有演示板。本演示只是簡單地執行該預先存在的步驟（在演示硬件上測試單電源軌），并在此基礎上進行擴展，以利用演示硬件得到一個工作系統。此外，由于本演示需要在相對較短的時間內完成，采用典型開發流程——設計、布局、構建、裝配和測試（加上任何設計迭代）——是不可能的，因此系統原型完全是利用現成的硬件制作的。
為了回答本文開頭提出的問題，有必要選擇一個高級應用作為起點，以證明它是可能的。因此，充電寶應用被選用來進行概念驗證。每個電子項目都離不開電源管理，因此可以選擇任何其他應用。
充電寶是一種非常常見的應用，大多數消費者都遇到過并使用過——例如，許多旅行者會攜帶一個充電寶，以確保其手機在長途旅行中有電可充。充電寶本質上是一個電池包（容量隨價格和所需的范圍而不同），有一個或多個USB-A端口，與一個USB-C輸入端口對其充電。當然，在此基本功能之上添加其它復雜功能也是可能的。例如，可以增加一個無線充電板或一個輸入，以便戶外愛好者使用太陽能對充電寶充電。
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此應用包括的選項有通過太陽能給電池充電，或通過標準12 V AC-DC壁式電源適配器的直流輸入進行充電。輸出包括一些基本USB-A充電端口（總共兩個），其產生5 V電壓，用于移動電話和一系列USB供電的電子設備。
在本示例中，設計將支持兩個輸入電源（一個太陽能電池板和一個AC-DC壁式電源適配器，后者只是一個簡單的AC-DC電源）。出于這個原因，設計需要一種稱為功率路徑優先排序器的靈巧器件，它不僅要根據哪個電源可用而智能切換電源，而且要管理兩個電源都可用的情況，將優先級賦予一個電源或另一個電源。一個簡單的實現版本是使用一些簡單的二極管——通常連接二極管的兩個陰極，并將陽極連接到相應的電源。遺憾的是，由于典型二極管固有的壓降（約0.6V），這種特殊配置存在損耗，而且它也不支持實現任何巧妙的選擇標準，例如優先級選擇。它只允許較高電位的輸入通過。
對于這種情況，LTC4416可以發揮作用——它不僅用效率更高的PFET取代了有損耗的二極管，而且允許指定優先級。在這種特殊應用中，壁式電源適配器將始終擁有較高優先級。這樣，當壁式電源可用時，設計就能利用該電源（并獲得更高的電流）。該器件非常靈活，可根據設計要求支持多種工作模式。表1（來源于LTC4416數據手冊）顯示了工作模式。
表1.LTC4416數據手冊中的工作模式
電池充電器之所以選擇LTC4162-L，是因為它具有寬輸入電壓范圍（高達35 V）和3.2 A的充電能力，并且集成了FET設計，使得解決方案尺寸很小。這是一種常用的全功能充電器IC，具有很大的應用靈活性，支持許多電池化學組成，如LiFePO4、鋰離子、鉛酸等，并且有I2C接口，允許用戶提取遙測信息。該特定應用選擇它不僅是因為上述輸入和電池電壓的靈活性，還因為它的集成特性有助于使解決方案尺寸保持最小。它的另一個實用特性是最大功率點跟蹤(MPPT)——如果太陽能作為您設計的可能輸入電源之一，那么MPPT就是必備功能，用以確保設計盡可能多地獲取可用功率。LTC4162還有內置電源路徑控制，該功能在此應用中很有用，當輸入電源被移除時，可以向輸出端子提供電池電壓以供下游使用。
為連接的設備提供USB充電電壓所選擇的電路板來自我們的Circuits from the Lab?參考設計和解決方案集合。通常，評估板上僅顯示單個器件，以允許對該特定器件進行評估。然而，Circuits from the Lab電路板是一種更注重解決方案的實現，它利用ADI公司不同產品系列中的幾款產品來解決特定系統需求。
CN0509被設計成一種寬輸入范圍、雙USB電源充電器。它是為自然災害或長時間停電等緊急情況使用而開發的。例如汽車電池就可以作為該充電器的電源，大多情況下這是可以提供。該電路板可以由汽車電池供電，提供兩個5 V端口；為了安全起見，這兩個端口與初級電壓隔離。您還可以提供其它各種電源，例如散裝電池組，或者將電機用作一個簡單的發電機。CN0509具有寬輸入電壓范圍，能夠在5 V至100 V范圍內的任何電源下運行。鑒于上述所有原因，它成為與現有電路板配合使用的理想選擇，可提供充電寶所需的USB充電輸出。
它還內置極性反接保護功能，可保護電路免受錯誤連接電源的影響。此外，它利用隔離式反激轉換器將充電器輸出與輸入電源隔離，這在使用-48 V通信備用電源作為電源時特別有用。使用這種電源可能會導致手機被充電到-48 V，并造成危險的情況。隔離式轉換可防止這種情況發生。還有一點需要注意的是，CN0509板相當小，這在很大程度上要歸功于所選的高效IC和非光學反激式LT8302。一個關鍵的差異化因素是反激轉換器LT8302不需要隔離光反饋路徑。
該板上有兩個USB端口：一個是標準USB端口（不連接D+/D-），另一個端口有一個DCP控制器來監視USB數據線電壓，以便支持快速充電，在5 V時提供最大2 A充電電流。能否實現這種較高水平的充電電流，取決于所采用的輸入電壓。根據圖4所示的性能曲線，12 V為最佳電壓。
選擇的主電源是60 W AC-DC 12 V適配器，這是LTC4416演示板的一個輸入。我們還購買了一個相對較小的太陽能電池板來提供一個替代輸入電源，不過該項目是為室內活動而開發，永遠不會有足夠的照明可用來為太陽能電池充電以提供合理水平的電源，因此包含該功能只是為了演示電源路徑優先排序器的能力和功能。
該設計被開發成一個充電寶，因此它需要一個電池組來充當儲能元件。與電池相關的運輸限制是非常嚴格的。此演示是專門開發的，可以購買一般電池組，收到后插入其中就能運行演示。基于這一限制，我們選擇了可充電的2節串聯鋰離子電池組來運行演示，該電池組產生的標稱電壓為7.4V，容量為2600 mAh。值得注意的是，如果需要，可以很容易地安裝更大容量的電池。
從構建的角度來看，硬件是標準件，因此除了對LTC4416閾值進行一些調整以確保輸入電源具有正確優先級之外，不需要進行任何電氣修改。為使演示在視覺上更具吸引力，電路板使用一些標準金屬支架安裝在簡單的黑色有機玻璃板上。
為手機提供的充電電流由一個簡易USB電表監視。此設備直觀地顯示有多少電流可以給出席者的手機充電。
圖7.一個功能演示系統
演示系統有效執行了其核心功能。它從兩個備選電源輕松地為電池組充電，電源之間的切換由電源路徑優先排序器很好地控制，CN0509令人滿意地為連接的USB設備充電。該充電寶還有一個許多充電寶不具備的有用功能，即它能夠同時為電池組和連接的USB設備充電。例如，我自己的充電寶（許多人會認為它相當高端）就不能同時為手機和充電寶本身充電，這個限制令人沮喪。
USB端口的充電電流受LTC4162能力的限制，其內部FET設計提供最大3.2 A的電流，大部分電流在充電過程中被送至電池。剩余電流可以通過USB充電器端口使用。
只要移除輸入電源，LTC4162演示板上的電源路徑FET就會確保電池電源重定向到輸出端口，因此CN0509和USB端口總是有電源。此模式下可用充電電流會下降，其曲線如圖4所示，原因是CN0509的輸入源現在是電池電壓，其標稱值為7.4 V。
一旦已使用一些簡單現成的演示板證明應用能有效工作，下一個合理的步驟便是開發產品原型，從最初的原型工作中吸取經驗，并將其集成到最終解決方案中。其中一部分是修改所用電路板的現有原理圖，移除多余的東西（測試點、連接器等）。然后，用戶可以開始PCB開發，此時我們為每個器件提供的資源的重要性和有用性將會展現。例如，優化的演示板布局是我們為每個器件提供的免費資源。雖然演示板看起來通常相當大，但這只是為了方便測試和使用器件。仔細觀察電路板布局可以發現，為之開發電路板的IC和支持電路（電阻、電容、電感等）全都被設計在盡可能小的空間中，以允許客戶將其納入自己的布局。這將為客戶提供信心，因為他們知道這是一個經過測試的設計，他們可以在試驗臺上進行驗證，然后構建自己的版本。
對于最終應用，具有更高電壓的更大容量電池將有助于優化提供給USB端口的充電電流量。
CN0509是一個很棒的設計，理想地滿足了需求，但對于該特定應用，可以利用更纖薄的設計來降低充電寶的整體成本。例如，LTC7103 和輸入極性保護電路對于這種設計是不必要的，隔離反激式電源可以直接從LTC4162的輸出供電（AC-DC壁式電源適配器的12 V電壓或市電電源斷開后的電池電壓）。
使用一些現成的硬件和簡單的電源制作一個充電寶或任何其他電源設計的原型，當然是可行的。本文清楚地表明，使用現有演示板硬件可以快速地為潛在項目提供概念驗證，而無需在開發上投入太多。此外，在用戶決心開展更集成的設計之前，這一相對較小但有價值的步驟將給用戶帶來信心。還有一點值得重申，電源設計（更具體而言是電源設計的布局）可能很有挑戰性，因此利用可用資源來縮短整體開發時間是值得的。
