問題：
能否在不構(gòu)建專用硬件的情況下制作充電寶應(yīng)用原型？
答案：
對(duì)于這個(gè)問題,，簡(jiǎn)短回答是肯定的,，而且由于多年來許多客戶問過這個(gè)問題，所以本文旨在更詳細(xì)地探討此話題,。本文將回顧使用現(xiàn)有評(píng)估板開發(fā)應(yīng)用的過程，討論所遇到的挑戰(zhàn)，并概述關(guān)于進(jìn)一步修改和改進(jìn)的建議,。
簡(jiǎn)介
理想情況下，任何電源設(shè)計(jì)都應(yīng)該從一些基本的概念驗(yàn)證測(cè)試開始,，這通常涉及測(cè)試現(xiàn)有演示板,。本演示只是簡(jiǎn)單地執(zhí)行該預(yù)先存在的步驟（在演示硬件上測(cè)試單電源軌），并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,，以利用演示硬件得到一個(gè)工作系統(tǒng),。此外,，由于本演示需要在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成，采用典型開發(fā)流程——設(shè)計(jì),、布局,、構(gòu)建、裝配和測(cè)試（加上任何設(shè)計(jì)迭代）——是不可能的,，因此系統(tǒng)原型完全是利用現(xiàn)成的硬件制作的,。
應(yīng)用
為了回答本文開頭提出的問題，有必要選擇一個(gè)高級(jí)應(yīng)用作為起點(diǎn),，以證明它是可能的,。因此，充電寶應(yīng)用被選用來進(jìn)行概念驗(yàn)證,。每個(gè)電子項(xiàng)目都離不開電源管理,，因此可以選擇任何其他應(yīng)用。
充電寶是一種非常常見的應(yīng)用,，大多數(shù)消費(fèi)者都遇到過并使用過——例如,，許多旅行者會(huì)攜帶一個(gè)充電寶，以確保其手機(jī)在長途旅行中有電可充,。充電寶本質(zhì)上是一個(gè)電池包（容量隨價(jià)格和所需的范圍而不同）,，有一個(gè)或多個(gè)USB-A端口，與一個(gè)USB-C輸入端口對(duì)其充電,。當(dāng)然,，在此基本功能之上添加其它復(fù)雜功能也是可能的。例如,，可以增加一個(gè)無線充電板或一個(gè)輸入,，以便戶外愛好者使用太陽能對(duì)充電寶充電。
此應(yīng)用包括的選項(xiàng)有通過太陽能給電池充電,，或通過標(biāo)準(zhǔn)12 V AC-DC壁式電源適配器的直流輸入進(jìn)行充電,。輸出包括一些基本USB-A充電端口（總共兩個(gè)），其產(chǎn)生5 V電壓,，用于移動(dòng)電話和一系列USB供電的電子設(shè)備,。
硬件選擇
電源選擇——LTC4416
在本示例中，設(shè)計(jì)將支持兩個(gè)輸入電源（一個(gè)太陽能電池板和一個(gè)AC-DC壁式電源適配器,，后者只是一個(gè)簡(jiǎn)單的AC-DC電源）,。出于這個(gè)原因，設(shè)計(jì)需要一種稱為功率路徑優(yōu)先排序器的靈巧器件,，它不僅要根據(jù)哪個(gè)電源可用而智能切換電源,，而且要管理兩個(gè)電源都可用的情況，將優(yōu)先級(jí)賦予一個(gè)電源或另一個(gè)電源,。一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)版本是使用一些簡(jiǎn)單的二極管——通常連接二極管的兩個(gè)陰極,，并將陽極連接到相應(yīng)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(shí)現(xiàn)任何巧妙的選擇標(biāo)準(zhǔn),，例如優(yōu)先級(jí)選擇,。它只允許較高電位的輸入通過。
對(duì)于這種情況,，LTC4416可以發(fā)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(yōu)先級(jí)。在這種特殊應(yīng)用中,，壁式電源適配器將始終擁有較高優(yōu)先級(jí),。這樣，當(dāng)壁式電源可用時(shí),，設(shè)計(jì)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(jù)設(shè)計(jì)要求支持多種工作模式,。表1（來源于LTC4416數(shù)據(jù)手冊(cè)）顯示了工作模式,。
表1.LTC4416數(shù)據(jù)手冊(cè)中的工作模式
圖1.LTC4416典型應(yīng)用電路
開關(guān)式降壓電池充電器——LTC4162-L
電池充電器之所以選擇LTC4162-L，是因?yàn)樗哂袑捿斎腚妷悍秶ǜ哌_(dá)35 V）和3.2 A的充電能力,，并且集成了FET設(shè)計(jì),，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(yīng)用靈活性,，支持許多電池化學(xué)組成，如LiFePO4,、鋰離子,、鉛酸等，并且有I2C接口,，允許用戶提取遙測(cè)信息,。該特定應(yīng)用選擇它不僅是因?yàn)樯鲜鲚斎牒碗姵仉妷旱撵`活性，還因?yàn)樗募商匦杂兄谑菇鉀Q方案尺寸保持最小,。它的另一個(gè)實(shí)用特性是最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）——如果太陽能作為您設(shè)計(jì)的可能輸入電源之一,，那么MPPT就是必備功能，用以確保設(shè)計(jì)盡可能多地獲取可用功率,。LTC4162還有內(nèi)置電源路徑控制,，該功能在此應(yīng)用中很有用，當(dāng)輸入電源被移除時(shí),，可以向輸出端子提供電池電壓以供下游使用,。
圖2.LTC4162-L典型應(yīng)用電路
圖3.CN0509應(yīng)用電路
USB充電解決方案——CN0509
為連接的設(shè)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(shè)計(jì)和解決方案集合,。通常，評(píng)估板上僅顯示單個(gè)器件,，以允許對(duì)該特定器件進(jìn)行評(píng)估,。然而，Circuits from the Lab電路板是一種更注重解決方案的實(shí)現(xiàn),，它利用ADI公司不同產(chǎn)品系列中的幾款產(chǎn)品來解決特定系統(tǒng)需求,。
CN0509被設(shè)計(jì)成一種寬輸入范圍、雙USB電源充電器,。它是為自然災(zāi)害或長時(shí)間停電等緊急情況使用而開發(fā)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(gè)5 V端口；為了安全起見,，這兩個(gè)端口與初級(jí)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(jī)用作一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)電機(jī),。CN0509具有寬輸入電壓范圍，能夠在5 V至100 V范圍內(nèi)的任何電源下運(yùn)行,。鑒于上述所有原因,，它成為與現(xiàn)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(nèi)置極性反接保護(hù)功能,，可保護(hù)電路免受錯(cuò)誤連接電源的影響。此外,，它利用隔離式反激轉(zhuǎn)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(shí)特別有用。使用這種電源可能會(huì)導(dǎo)致手機(jī)被充電到-48 V,，并造成危險(xiǎn)的情況,。隔離式轉(zhuǎn)換可防止這種情況發(fā)生。還有一點(diǎn)需要注意的是,，CN0509板相當(dāng)小,，這在很大程度上要?dú)w功于所選的高效IC和非光學(xué)反激式LT8302。一個(gè)關(guān)鍵的差異化因素是反激轉(zhuǎn)換器LT8302不需要隔離光反饋路徑,。
該板上有兩個(gè)USB端口：一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)USB端口（不連接D+/D-）,，另一個(gè)端口有一個(gè)DCP控制器來監(jiān)視USB數(shù)據(jù)線電壓，以便支持快速充電,，在5 V時(shí)提供最大2 A充電電流,。能否實(shí)現(xiàn)這種較高水平的充電電流,，取決于所采用的輸入電壓。根據(jù)圖4所示的性能曲線,，12 V為最佳電壓,。
圖4.CN0509最大充電電流與VIN的關(guān)系
電源
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(gè)輸入,。我們還購買了一個(gè)相對(duì)較小的太陽能電池板來提供一個(gè)替代輸入電源,，不過該項(xiàng)目是為室內(nèi)活動(dòng)而開發(fā)，永遠(yuǎn)不會(huì)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(yōu)先排序器的能力和功能。
該設(shè)計(jì)被開發(fā)成一個(gè)充電寶,，因此它需要一個(gè)電池組來充當(dāng)儲(chǔ)能元件,。與電池相關(guān)的運(yùn)輸限制是非常嚴(yán)格的。此演示是專門開發(fā)的,，可以購買一般電池組,，收到后插入其中就能運(yùn)行演示?；谶@一限制,，我們選擇了可充電的2節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組來運(yùn)行演示，該電池組產(chǎn)生的標(biāo)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,。
圖5.充電寶應(yīng)用樹
圖6.原型的系統(tǒng)圖
演示構(gòu)建
從構(gòu)建的角度來看，硬件是標(biāo)準(zhǔn)件,，因此除了對(duì)LTC4416閾值進(jìn)行一些調(diào)整以確保輸入電源具有正確優(yōu)先級(jí)之外,，不需要進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)金屬支架安裝在簡(jiǎn)單的黑色有機(jī)玻璃板上,。
為手機(jī)提供的充電電流由一個(gè)簡(jiǎn)易USB電表監(jiān)視。此設(shè)備直觀地顯示有多少電流可以給出席者的手機(jī)充電,。
圖7.一個(gè)功能演示系統(tǒng)
工作性能
演示系統(tǒng)有效執(zhí)行了其核心功能,。它從兩個(gè)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(yōu)先排序器很好地控制,，CN0509令人滿意地為連接的USB設(shè)備充電,。該充電寶還有一個(gè)許多充電寶不具備的有用功能，即它能夠同時(shí)為電池組和連接的USB設(shè)備充電,。例如,，我自己的充電寶（許多人會(huì)認(rèn)為它相當(dāng)高端）就不能同時(shí)為手機(jī)和充電寶本身充電,，這個(gè)限制令人沮喪。
USB端口的充電電流受LTC4162能力的限制,，其內(nèi)部FET設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)下降,，其曲線如圖4所示，原因是CN0509的輸入源現(xiàn)在是電池電壓,，其標(biāo)稱值為7.4 V,。
后續(xù)步驟
一旦已使用一些簡(jiǎn)單現(xiàn)成的演示板證明應(yīng)用能有效工作，下一個(gè)合理的步驟便是開發(fā)產(chǎn)品原型,，從最初的原型工作中吸取經(jīng)驗(yàn),，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(xiàn)有原理圖,，移除多余的東西（測(cè)試點(diǎn),、連接器等）。然后,，用戶可以開始PCB開發(fā),，此時(shí)我們?yōu)槊總€(gè)器件提供的資源的重要性和有用性將會(huì)展現(xiàn)。例如,，優(yōu)化的演示板布局是我們?yōu)槊總€(gè)器件提供的免費(fèi)資源,。雖然演示板看起來通常相當(dāng)大，但這只是為了方便測(cè)試和使用器件,。仔細(xì)觀察電路板布局可以發(fā)現(xiàn),，為之開發(fā)電路板的IC和支持電路（電阻、電容,、電感等）全都被設(shè)計(jì)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?yàn)樗麄冎肋@是一個(gè)經(jīng)過測(cè)試的設(shè)計(jì),，他們可以在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證，然后構(gòu)建自己的版本,。
對(duì)于最終應(yīng)用,，具有更高電壓的更大容量電池將有助于優(yōu)化提供給USB端口的充電電流量。
CN0509是一個(gè)很棒的設(shè)計(jì)，理想地滿足了需求,，但對(duì)于該特定應(yīng)用,，可以利用更纖薄的設(shè)計(jì)來降低充電寶的整體成本。例如,，LTC7103 和輸入極性保護(hù)電路對(duì)于這種設(shè)計(jì)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）。
結(jié)論
使用一些現(xiàn)成的硬件和簡(jiǎn)單的電源制作一個(gè)充電寶或任何其他電源設(shè)計(jì)的原型,，當(dāng)然是可行的,。本文清楚地表明，使用現(xiàn)有演示板硬件可以快速地為潛在項(xiàng)目提供概念驗(yàn)證,，而無需在開發(fā)上投入太多,。此外，在用戶決心開展更集成的設(shè)計(jì)之前,，這一相對(duì)較小但有價(jià)值的步驟將給用戶帶來信心,。還有一點(diǎn)值得重申，電源設(shè)計(jì)（更具體而言是電源設(shè)計(jì)的布局）可能很有挑戰(zhàn)性,，因此利用可用資源來縮短整體開發(fā)時(shí)間是值得的。
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