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雙鋰離子/鋰聚合物USB Type-C充電器開源

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資料介紹

描述

如今，鋰電池廣泛用于便攜式設(shè)備，如手機(jī)、筆記本電腦、電子產(chǎn)品等。您只需要一個(gè) 5V 電源（例如手機(jī)充電器）和一條 USB Type-C 數(shù)據(jù)線。

為了設(shè)計(jì)原理圖和 PC，我使用了 Altium Designer 22 和 SamacSys 組件庫（Altium 插件）。為了獲得高質(zhì)量的 PCB 板，我將 Gerber 發(fā)送到 PCBWay，并使用 componentsearchengine.com 購買了原裝元件。為了檢查充電電流/電壓，我使用了 Siglent SDM3045X 萬用表。是不是很酷？！，讓我們開始吧！

電路分析

圖 1 顯示了該設(shè)備的示意圖。電路的核心（IC1 和 IC2）是 Microchip [1] 的 MCP73831 芯片。

圖 1 鋰離子/鋰聚合物 USB Type-C 充電器示意圖

根據(jù) MCP73831 數(shù)據(jù)表：“MCP73831/2 器件是非常先進(jìn)的線性充電管理控制器，適用于空間受限、成本敏感的應(yīng)用。MCP73831/2 采用 8 引腳 2 mm x 3 mm DFN 封裝或 5 引腳 SOT-23 封裝。MCP73831/2 的物理尺寸小，所需的外部元件數(shù)量少，因此非常適合便攜式應(yīng)用。對于從 USB 端口充電的應(yīng)用，MCP73831/2 符合所有管理 USB 電源總線的規(guī)范。MCP73831/2 采用恒流/恒壓充電算法，可選擇預(yù)處理和充電終止。恒定電壓調(diào)節(jié)固定有四個(gè)可用選項(xiàng)：4.20V、4.35V、4.40V 或 4.50V，以滿足新出現(xiàn)的電池充電要求。恒流值由一個(gè)外部電阻設(shè)置。MCP73831/2 器件在高功率或高環(huán)境條件下根據(jù)管芯溫度限制充電電流。這種熱調(diào)節(jié)優(yōu)化了充電周期時(shí)間，同時(shí)保持了設(shè)備的可靠性?！?/font>

芯片的充電電流可在 15mA 至 500mA 范圍內(nèi)編程，涵蓋了大多數(shù)應(yīng)用。MCP73831 與 MCP73832 的主要區(qū)別在于充電狀態(tài)引腳。我決定為這個(gè)項(xiàng)目選擇 MCP73831。圖2為芯片的充電周期，是一個(gè)完整的充電周期。

圖 2 100mA 電池的完整充電周期（參考：數(shù)據(jù)表）

C1、C2、C3 和 C4 用于降低電源噪聲。D1 是一個(gè) LED，指示正確的電源（C 型電纜）連接。R1 限制流向 LED 的電流。

CON1 是 Type-C 母頭 USB 連接器。R2 和 R4 定義了 H1-P1 和 H2-P2 電池連接器的充電電流。D2和D3指示充電狀態(tài)。LED 亮起表示充電周期已完成。可以使用等式 1 計(jì)算充電電流。因此，使用 2K 電阻器可實(shí)現(xiàn)最大充電電流 (500mA)。

Equation 1 IC1 和 IC2 的充電電流計(jì)算公式

印刷電路板布局

圖 3 顯示了該設(shè)計(jì)的 PCB 布局。它是一個(gè)兩層PCB板。為了獲得高質(zhì)量的裝配板，我將 Gerber 發(fā)送到 PCBWay 并收到了 10 塊 PCB。除電池座/連接器外，所有組件均為 SMD。

圖 3 鋰離子/鋰聚合物 USB Type-C 充電器的 PCB 布局

當(dāng)我決定為這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理圖和 PCB 時(shí)，我意識到我的元件庫存儲(chǔ)中沒有 IC1 和 IC2 [2] 的元件庫。因此，像往常一樣，我選擇了 IPC 級 SamacSys 組件庫，并使用免費(fèi)的 SamacSys 工具和服務(wù)安裝了缺少的庫（原理圖符號、PCB 封裝、3D 模型）。將庫導(dǎo)入電子設(shè)計(jì)CAD軟件有兩種方法：訪問componentsearchengine.com下載導(dǎo)入庫，或者使用SamacSys CAD插件直接將庫導(dǎo)入/安裝到設(shè)計(jì)環(huán)境中。圖 4 顯示了所有支持的電子設(shè)計(jì) CAD 軟件 [3]。很明顯，所有著名球員都得到支持。我使用 Altium Designer，所以我使用 SamacSys Altium 插件安裝了缺少的庫（圖 5）[4]。圖 6 顯示了電路板的 3D 視圖和 PCB 板的兩張裝配圖。

圖 4 SamacSys 插件支持的所有電子設(shè)計(jì) CAD 軟件

圖 5 SamacSys Altium 插件中的選定組件庫

圖6 PCB板的3D視圖和兩張裝配圖

組裝測試

圖 7 顯示了組裝好的 PCB 板。唯一需要焊接的棘手部分是 USB Type-C 連接器。此類元件焊接時(shí)應(yīng)使用熱風(fēng)臺(tái)和錫膏，否則用普通烙鐵很難焊接，而其他元件則容易焊接。如果您是初學(xué)者或沒有足夠的時(shí)間購買元器件并自己焊接，您可以訂購組裝板。

圖 7 鋰離子/鋰聚合物 USB Type-C 充電器的組裝 PCB 板

我已將其中一個(gè)通道的充電電流配置為接近 450mA（使用 2.2K 電阻），將另一個(gè)通道配置為 100mA（使用 10K 電阻）。因?yàn)槲掖蛩阍谕ǖ?1 為我的一個(gè)鋰離子電池充電，在通道 2 為一個(gè)小型 200mA 鋰聚合物電池充電。圖 8 顯示了充電時(shí)的電池電壓。我使用 Siglent SDM3045X 萬用表作為參考 [5]。