功率级设计1：充电回路

好接下来我要为大家介绍 Power Bank 主要功率电路的设计

包括一些器件参数的选择

刚刚我们前面也提到了我们整个的系统框图

我们这个 Power Bank 设计大概可以认为有三个主要功率回路

一个是充电回路，还有两个是放电回路

一个是A口的，一个是C口的

所以说我们在这整个主功率电路参数的选择里面要分成三块

一块是充电主回路

还有一块是 Type-C 这一路的放电回路

还有一块是 Type-A 这一路的放电回路

对于每个回路我们都会相应地介绍它的主控芯片

还有一些主要的功率器件

包括电感、输入输出电容一些的选择

然后我们首先来看

我们这块充电回路用的这颗主要的芯片

就是 BQ25895

BQ25895 它是一颗高度集成的 Charger 芯片

它能支持从3.9V到14V的输入电压

最大输出电流能够达到5A

当然了，我们这个设计里面只用到3A

所以说它的设计裕量肯定是足够的

同时的话，我们看它的整个系统框图

我们这颗芯片的话

它集成了整个充电回路上所有必须的 MOS 管

所以说，我们在做充电回路设计的时候

我们不需要额外再加任何的

MOS 管来增加它的负载能力

所以说我们用这个芯片基本上可以

满足整个充电的一些设计需求

同时我们这个 BQ25895 还集成了一些必须的

像电池保护、或者是输入输出功率检测

包括像这里它有一个输入电流的监测

同时也有一个输入电压的监测

那么这里呢，它有一些输出电压，

包括电池电压、系统电压还有电流的一些监测

它自身会根据这些检测到的电压和电流信号

做一些相应的保护

这一块就是它各种的保护电路

包括一些欠压、过压、过流、过温

这些都是能够通过我们芯片自己内部来做一些设置的

当然了就像我刚提到的

对于不同的应用可能过压点、过流点是不一样的

所以我们也留了一个I2C的接口

就是给用户通过 MCU 来读写我们相应的寄存器

来达到我们编程 Charger 芯片的目的

然后除了这个 Charger 芯片之外

我们对于整个 Charger 回路上

最主要的功率器件，就是输出电感

输出电感，我们刚才也提到了

像我们这颗 Charger 的话

主要还是一个 Buck 的拓扑

所以说我们在计算输出电感的时候

可以采用 Buck 电路最常用最经典的这种电感计算公式

它就是根据加在电感上的电压

跟 Ldi/dt 的关系来计算电感的感量

同时，因为我们在做实际设计

所以说跟课本上占空比的设计可能有一些出入

所以我们在设计当中对于实际的效率

对占空比的影响也做了考虑

所以说效率我们也是把它计算到占空比里面去

按照这两个公式我们就可以得到

我们自己需要的3A Charger 的设计参数

电感我们就可以选择2.2uH的电感

那么对于输入电容和输出电容来说

其实计算方式跟 Buck 类似

基本上我们计算的一个基本原则就是

我们认为流过输入电容或者输出电容

它的正向电流一个周期内累积产生的电荷

就是导致电容纹波电压变化的一个主要原因

我们在做设计的时候，总是需要考虑这个系统

想要得到的输入电压纹波值，或者输出电压的纹波值

我们根据这个给定的值，再根据一个电荷相等的公式

就可以计算出我们需要的一个最小的电容量

根据以上公式，我们可以计算出得到3.65uF的电容量

实际上，我们最终会选择一个陶瓷电容

陶瓷电容的话，我们需要特别注意它有一个特性

陶瓷电容的实际容值

会随着加在 上面的直流电压出现非常剧烈的变化

所以我们在做实际电容的选择的时候

往往会选择容值远远大于实际所需要的实际电容值

所以关于我们 Charger 的输入电容

我们选择了一颗22uF、25V的一个陶瓷电容

那么我们在做验证的时候

只需要验证这颗22uF电容，在我们最大输入电压的时候

比如说12V的时候

它的有效电容值能够比我们计算电容值大就可以了

对于输出电容，也是一样类似的计算公式

在电容上 正向电流累积产生的电荷

能够等于电容上输出电压的变化量，也就是△Vo

△V跟前面△VIn也是一样的

都是由我们在做整个系统设计的时候

需要对△Vo或者△VIn做一个预估的

就是说整个系统对输入电压的纹波

或者输出电压的纹波的要求

常用的话，我们用在计算里面，一般会选取

△Vo大概等于正常输出直流量的1%

也就是输出纹波电压大概是直流量的1%的占比

所以根据这个占比

我们可以计算出我们所需要的输出电容的最小容值

这里算得是1.5uF的电容值

同样的我们也需要考虑到

我们选择的是陶瓷电容

我们需要考虑到这个陶瓷电容在实际的输出电压的时候

能够达到的实际电容值

所以我们选取一个22uF，6.3V的陶瓷电容

作为 Charger 的输出电容

好接下来我要为大家介绍 Power Bank 主要功率电路的设计

包括一些器件参数的选择

刚刚我们前面也提到了我们整个的系统框图

我们这个 Power Bank 设计大概可以认为有三个主要功率回路

一个是充电回路，还有两个是放电回路

一个是A口的，一个是C口的

所以说我们在这整个主功率电路参数的选择里面要分成三块

一块是充电主回路

还有一块是 Type-C 这一路的放电回路

还有一块是 Type-A 这一路的放电回路

对于每个回路我们都会相应地介绍它的主控芯片

还有一些主要的功率器件

包括电感、输入输出电容一些的选择

然后我们首先来看

我们这块充电回路用的这颗主要的芯片

就是 BQ25895

BQ25895 它是一颗高度集成的 Charger 芯片

它能支持从3.9V到14V的输入电压

最大输出电流能够达到5A

当然了，我们这个设计里面只用到3A

所以说它的设计裕量肯定是足够的

同时的话，我们看它的整个系统框图

我们这颗芯片的话

它集成了整个充电回路上所有必须的 MOS 管

所以说，我们在做充电回路设计的时候

我们不需要额外再加任何的

MOS 管来增加它的负载能力

所以说我们用这个芯片基本上可以

满足整个充电的一些设计需求

同时我们这个 BQ25895 还集成了一些必须的

像电池保护、或者是输入输出功率检测

包括像这里它有一个输入电流的监测

同时也有一个输入电压的监测

那么这里呢，它有一些输出电压，

包括电池电压、系统电压还有电流的一些监测

它自身会根据这些检测到的电压和电流信号

做一些相应的保护

这一块就是它各种的保护电路

包括一些欠压、过压、过流、过温

这些都是能够通过我们芯片自己内部来做一些设置的

当然了就像我刚提到的

对于不同的应用可能过压点、过流点是不一样的

所以我们也留了一个I2C的接口

就是给用户通过 MCU 来读写我们相应的寄存器

来达到我们编程 Charger 芯片的目的

然后除了这个 Charger 芯片之外

我们对于整个 Charger 回路上

最主要的功率器件，就是输出电感

输出电感，我们刚才也提到了

像我们这颗 Charger 的话

主要还是一个 Buck 的拓扑

所以说我们在计算输出电感的时候

可以采用 Buck 电路最常用最经典的这种电感计算公式

它就是根据加在电感上的电压

跟 Ldi/dt 的关系来计算电感的感量

同时，因为我们在做实际设计

所以说跟课本上占空比的设计可能有一些出入

所以我们在设计当中对于实际的效率

对占空比的影响也做了考虑

所以说效率我们也是把它计算到占空比里面去

按照这两个公式我们就可以得到

我们自己需要的3A Charger 的设计参数

电感我们就可以选择2.2uH的电感

那么对于输入电容和输出电容来说

其实计算方式跟 Buck 类似

基本上我们计算的一个基本原则就是

我们认为流过输入电容或者输出电容

它的正向电流一个周期内累积产生的电荷

就是导致电容纹波电压变化的一个主要原因

我们在做设计的时候，总是需要考虑这个系统

想要得到的输入电压纹波值，或者输出电压的纹波值

我们根据这个给定的值，再根据一个电荷相等的公式

就可以计算出我们需要的一个最小的电容量

根据以上公式，我们可以计算出得到3.65uF的电容量

实际上，我们最终会选择一个陶瓷电容

陶瓷电容的话，我们需要特别注意它有一个特性

陶瓷电容的实际容值

会随着加在 上面的直流电压出现非常剧烈的变化

所以我们在做实际电容的选择的时候

往往会选择容值远远大于实际所需要的实际电容值

所以关于我们 Charger 的输入电容

我们选择了一颗22uF、25V的一个陶瓷电容

那么我们在做验证的时候

只需要验证这颗22uF电容，在我们最大输入电压的时候

比如说12V的时候

它的有效电容值能够比我们计算电容值大就可以了

对于输出电容，也是一样类似的计算公式

在电容上 正向电流累积产生的电荷

能够等于电容上输出电压的变化量，也就是△Vo

△V跟前面△VIn也是一样的

都是由我们在做整个系统设计的时候

需要对△Vo或者△VIn做一个预估的

就是说整个系统对输入电压的纹波

或者输出电压的纹波的要求

常用的话，我们用在计算里面，一般会选取

△Vo大概等于正常输出直流量的1%

也就是输出纹波电压大概是直流量的1%的占比

所以根据这个占比

我们可以计算出我们所需要的输出电容的最小容值

这里算得是1.5uF的电容值

同样的我们也需要考虑到

我们选择的是陶瓷电容

我们需要考虑到这个陶瓷电容在实际的输出电压的时候

能够达到的实际电容值

所以我们选取一个22uF，6.3V的陶瓷电容

作为 Charger 的输出电容