IC過熱、MOS關斷尖峰偏高...一個充電寶引發的思考

一、前言

隨著人們對智能手機依賴程度的不斷增加，移動電源成為保持設備持續使用的重要裝備，由于目前市面上的共享充電寶都漲價了，為了出行方便，于是產生了自己DIY個充電寶的想法。

最終成品

二、設計方案

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

在網上找到一顆集成了升壓轉換器、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大，一顆IC就把移動電源所需的功能實現。

1.同步升壓系統：提供最大2.4A的輸出電流，轉換效率高至92%?？蛰d時，IP5306會自動進入休眠狀態，靜態電流降至100uA。

2.開關充電技術：提供最大2.1A的電流，充電效率高至91%。內置IC溫度和輸入電壓智能調節充電電流，支持1、2、3、4顆LED電量顯示。

3.內置電源路徑管理：支持邊充邊放的功能。

4.自適應充電電流調節：可以自適應適配器。   

5.自動檢測手機插入和拔出：具有自動檢測功能。

并且輸入輸出帶過充過放，過流、過壓、短路保護等具多重保護、高可靠性。

如下典型應用原理圖。

三、PCB和外殼設計

根據原理圖進行PCBlayou和外殼設計，考慮現成物料的通用性，電量指示燈和照明燈都采用了現有物料的2835封裝的LED。

PCB設計尺寸長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頂層設放主要貼片的元件，通過錫膏上加熱臺焊接，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把上層的元件焊接完成，再通過烙鐵把底層的元件進行手工焊接了。

因為IP5306還支出按鍵操作和照明功能,所以外殼頂蓋部分設計了輕觸開關小孔和照明LED的窗口，照明窗口裝上個透明的小方塊即可進行密封和照明。

輕觸開關短按一下會打開電量指示燈和升壓輸出，長按2S時會開啟照明燈，1s 內連續兩次短按鍵，會關閉升壓輸出、電量顯示和照明 LED，如下設計完成的PCB和外殼效果。

四、樣板制作和測試

PCB和相關物料回來后進行加熱臺焊接及手工焊接，然后對其基本功能進行測試。

1、充電功能

采用直流穩壓電源5V輸入，采用電子負載儀連接到PCB上的電池端，設定恒壓模式模擬電池在不同電壓下的充電電流參數進行測試。

由于電流較大，輸入導線存在壓降，所以采用萬用表接在輸入端確保電壓的準確性。

模擬電池不同電壓下的充電電流及相關參數

從實測數據看，電池在額定3.7V時充電效率為91.57%  符合規格書宣稱的91%充電效率。由于BUCK降壓電路特性，在負載在最低時，存在最大壓差，此時電路工作在最惡劣條件狀態，在2.9V時，效率為最低88.9%。電池電壓在臨近2.9V或以下時會切換為涓流充電模式，充電電流100mA。 

對不同條件下的關鍵波形和溫度進行測試確認，如下圖為2.9V充電時，Pin5對地的開關波形和對應條件下IC的測試溫度：

① 開關的尖峰電壓在正常范圍內，沒問題。

②環境溫度17°條件下，持續老化20分鐘左右測得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，轉換為5V電壓輸出。

采用直流穩壓電路接電池端，電子負載儀接PCB輸出端，模擬電池在不同電壓下輸出最大5V 2.4A時的參數進行測試。  

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

同理升壓時，電池電壓在最低3V時，存在最大壓差，此時電路工作在最惡劣條件狀態，效率只有86.9%，而當電池電壓低于3V時則進入保護狀態，不工作輸出。

對不同條件下的關鍵波形也進行確認，如下圖為電池電壓3V升壓5V 2.4A進行輸出時，Pin5對地的開關波形和對應條件下IC的測試溫度：

內部MOS關斷時的電壓尖峰有點偏高，但還是可以接受的。   

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

針對以上兩個問題進行改善：

MOS管的關斷尖峰有點無解了，一般情況下可以通過改變其開關速度或MOS的結電容解決的，目前是內置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阻產生的損耗，有利于降低走線的等效電感，降低開關尖峰，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散熱焊盤的背面區域設計出一片露銅工藝，通過IC底部焊盤上錫改善IC導熱散熱。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到底部PCB散熱。以上幾點理論上均有助于改善IC導熱散熱，實在不行就只能通過PCB灌膠方式把熱量傳導到整個外殼進行散熱了。

改善效果只能后續再驗證了，收到3D打印的外殼后就迫不及待的進行試裝確認了。   

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

需要注意的是對于鋰電池的選型要結合廠家提供的技術參數和PCB的最大充放電電流確定的，舉個栗子，如果廠家提供電池最大充電電流參數為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，有可能會因電流過大導致電池直接損壞或縮短壽命的；倘若廠家給的最大參數為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，放電參數同理。由于無法找到我們所用舊電池的最大充電參數，而且是DIY自己用的，也就無所謂了。   

完成后實物圖，外殼的USB口尺寸開了有點偏大，其他都還好。

五、關于IP5306同步升降壓原理及注意事項

在設計時發現IP5306規格書是沒有對應IC內部框圖資料的，在網上也找不到相關信息，為了對IC有深一步了解，我們找到了類似的一顆IC的內部框圖，結合應用電路，來了解到了其同步升降壓的工作原理。

電池充電時由 Q3,Q4，電感L組成BUCK降壓電路，Q1、2,正常狀態為常導通的，Q3為開關管，Q4為同步MOS管替代二極管減少功耗作用。   

Q3 MOS管導通，Q4關斷時；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關斷，Q4導通時，電感L又放電給電池充電，充電電流為藍色箭頭方向。

電池放電時，由 Q3,Q4，電感L組成同步BOOST升壓電路，Q4變為了開關管作用，Q3變為了同步MOS管作用。

Q4導通，Q3關閉時，電池放電給電感儲能，電流方向為紅色箭頭方向；Q4關閉，Q3導通時，電感L進行放電，電感電壓和電池電壓疊加實現5V輸出。   

一邊充電一邊放電時，Q1,Q2導通后，輸入輸出就相當于導通，從而實現了邊充電邊放電功能。

在測試中發現IP5306這款IC宣稱最大輸出電流2.4A，而實際上IC本身并沒有2.4A恒流或限流功能，就是輸出時可以去到5V 2.6、2.7A或更大的電流，超額輸出就意味著有可能出現故障了。如果只是給手機平板這些自帶電流保護的設備充電還好，如果是給其他沒電流保護的設備充電，有可能會因輸出電流過大，燒壞IP5306 IC或者充電設備。

六、總結

讀萬卷書不如走千里路，只是看各種技術資料，很多問題都看不出來，還得在實際項目中通過不斷實踐驗證才能學習成長。

此次DIY 一個小小的移動電源，可以說收獲良多，除了熟悉了IP5306這款IC的應用外，還對同步升降壓電路也有了進一步了解，在DIY過程中也發現了很多比IP5306 功能更加強大，功能更全面的IC方案，期待后續的測試驗證。