免專用硬體! 輕鬆製作行動電源原型

作者 : Diarmuid Carey,ADI核心應用部應用工程師

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,並概述關於進一步修改和改善的建議...

問題:能否在不建構專用硬體的情況下製作行動電源應用原型?

答案:對於這個問題,簡短回答是肯定的,而且由於多年來許多客戶問過這個問題,所以將更詳細探討此話題。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,並概述關於進一步修改和改善的建議。

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展示板。本展示只是簡單執行該預先存在的步驟(在展示硬體上測試單電源軌),並在此基礎上進行擴展,以利用展示硬體得到一個工作系統。

此外,由於本展示需要在相對較短的時間內完成,採用典型開發流程——設計、佈局、建構、裝配和測試(加上任何設計反覆運算)——是不可能的,因此系統原型完全是運用現成的硬體製作的。

為了回答開頭提出的問題,有必要選擇一個高層次應用作為起點,以證明它是可能的。因此,行動電源應用被選用來進行概念驗證。每個電子專案都離不開電源管理,因此可以選擇任何其他應用。

行動電源是一種非常常見的應用,大多數消費者都遇到並使用過——例如,許多旅行者會攜帶一個行動電源,以確保其手機在長途旅行中有電可充。行動電源本質上是一個電池組(容量隨價格和所需的範圍而不同),有一個或多個USB-A埠,與一個USB-C輸入埠對其充電。當然,在此基本功能之上增加其它複雜功能也是可能的。例如,可以增加一個無線充電板或一個輸入孔,以便戶外愛好者使用太陽能對行動電源充電。

此應用包括的選項有透過太陽能為電池充電,或透過標準12V AC-DC牆式電源轉接器的直流輸入進行充電。輸出包括一些基本USB-A充電埠(總共兩個),其產生5V電壓,用於手機和一系列USB供電的電子裝置。

硬體選擇

電源選擇

在本示例中,設計將支援兩個輸入電源(一個太陽能電池板和一個AC-DC牆式電源轉接器,後者只是一個簡單的AC-DC電源)。基於這個原因,設計需要一種稱為功率路徑優先排序器的彈性元件,不僅要根據哪個電源可用而智慧切換電源,而且要管理兩個電源都可用的情況,將優先順序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體——通常連接二極體的兩個陰極,並將陽極連接到相應的電源。遺憾的是,由於典型二極體固有的壓降(約0.6V),如此特殊配置存在損耗,而且也不支援實現任何巧妙的選擇標準,例如優先順序選擇。其只允許較高電位的輸入通過。

對於此種情況,ADI PMIC LTC4416可以發揮作用——其不僅用效率更高的PFET取代了有損耗的二極體,而且允許指定優先順序。在此種特殊應用中,牆式電源轉接器將始終擁有較高優先順序。如此,當壁式電源可用時,設計就能利用該電源(並獲得更高的電流)。該元件非常彈性,可根據設計要求支援多種工作模式。

Figure 1. An LTC4416 typical application circuit.1LTC4416典型應用電路。

開關式降壓電池充電器

電池充電器之所以選擇LTC4162-L,是因為其具有寬廣輸入電壓範圍(高達35V)和3.2A的充電能力,並且整合了FET設計,使得解決方案尺寸很精巧。這是一種常用的全功能充電器IC,具有很大的應用彈性,支援許多電池化學組成,如LiFePO4、鋰離子、鉛酸等,並且有I2C介面,允許使用者提取遙測資訊。

該特定應用的選擇不僅因為上述輸入和電池電壓的彈性,還因為它的整合特性有助於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追蹤(MPPT)——如果太陽能作為您設計的可能輸入電源之一,那麼MPPT就是必備功能,其用以確保設計盡量最大化獲取可用功率。LTC4162還有內建電源路徑控制,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。

Figure 2. An LTC4162-L typical application circuit.2LTC4162-L典型應用電路。

Figure 3. A CN0509 application circuit.3CN0509應用電路。

USB充電解決方案

為連接的設備提供USB充電電壓所選擇的電路板可選擇“Circuits from the Lab”參考設計和解決方案集合。評估板上通常僅顯示單一元件,以允許對該特定元件進行評估。然而,Circuits from the Lab電路板是一種更注重解決方案的實現,利用ADI不同產品系列中的幾款產品來解決特定系統需求。

CN0509被設計成一種寬廣輸入範圍、雙USB電源充電器。其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,這可以在大多情況下提供。該電路板可以由汽車電池供電,提供兩個5V埠;為了安全起見,這兩個埠與初級電壓隔離。您還可以提供其它各種電源,例如散裝電池組,或者將馬達用於一個簡單的發電機。CN0509具有寬廣輸入電壓範圍,能夠在5V至100V範圍內的任何電源下運作。有鑑於上述所有原因,其成為與現有電路板配合使用的理想選擇,可提供行動電源所需的USB充電輸出。

並內建極性反接保護功能,可保護電路免受錯誤連接電源的影響。此外,利用隔離式返馳式轉換器將充電器輸出與輸入電源隔離,這在使用-48V通訊備用電源作為電源時特別有用。使用此種電源可能會導致手機被充電到-48V,並造成危險的情況。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板相當精巧,這在很大程度上要歸功於所選的高效IC和非光學返馳式LT8302。一個關鍵的差異化因素是返馳式轉換器LT8302不需要隔離光回饋路徑。

該板上有兩個USB埠:一個是標準USB埠(不連接D+/D-),另一個埠有一個DCP控制器來監視USB數據線電壓,以便支援快速充電,在5V時提供最大2A充電電流。能否實現這種較高水準的充電電流,取決於所採用的輸入電壓。根據4所示的性能曲線,12V為最佳電壓。

Figure 4. A CN0509 max charge current vs. VIN.

4CN0509最大充電電流與VIN的關係。

電源

選擇的主電源是60W AC-DC 12V電源轉接器,這是LTC4416展示板的一個輸入。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,不過該專案是為室內活動而開發,永遠不會有足夠的照明來為太陽能電池充電以提供合理水準的電源,因此包含該功能只是為了展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行動電源,因此其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。此展示是特別開發的,可以購買一般電池組,收到後插入其中就能運作展示。基於此一限制,我們選擇了可充電的2節串聯鋰離子電池組來運作展示,該電池組產生的標稱電壓為7.4V,容量為2600mAh。值得注意的是,如果需要,可容易安裝更大容量的電池。

Figure 5. The power bank charger application tree.

5:行動電源應用樹。

Figure 6. A system diagram of the prototype.6:原型的系統圖。

展示建構

從建構的角度來看,硬體是標準件,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順序之外,不需要進行任何電氣修改。為使展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。此裝置直覺顯示有多少電流可以為出席者的手機充電。

Figure 7. A functional demo system.

7:功能展示系統。

工作性能

展示系統有效執行了其核心功能。它從兩個備選電源輕鬆為電池組充電,電源之間的切換由電源路徑優先排序器很好控制,CN0509為連接的USB設備充電令人滿意。該行動電源還有一個許多行動電源不具備的有用功能,即其能夠同時為電池組和連接的USB設備充電。例如,我自己的行動電源(許多人會認為它相當高階)就不能同時為手機和行動電源本身充電,這個限制令人沮喪。

USB埠的充電電流受LTC4162能力的限制,其內部FET設計提供最大3.2A的電流,大部份電流在充電過程中被送至電池。剩餘電流可以透過USB充電器埠使用。

只要移除輸入電源,LTC4162展示板上的電源路徑FET就會確保電池電源重定向到輸出埠,因此CN0509和USB埠總是有電源。此模式下可用充電電流會下降,其曲線如4所示,原因是CN0509的輸入源現在是電池電壓,其標稱值為7.4V。

後續步驟

一旦已使用了簡單現成的展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,並將其整合到最終解決方案中。其中一部份是修改所用電路板的現有原理圖,移除多餘的東西(測試點、連接器等)。然後,用戶可以開始進行PCB開發,此時為每個元件提供的資源的重要性和有用性將會展現。例如,最佳化的展示板佈局是為每個元件提供的免費資源。

雖然展示板看起來通常相當大,但這只是為了方便測試和使用元件。仔細觀察電路板佈局可以發現,為之開發電路板的IC和支援電路(電阻、電容、電感等)全被設計在盡可能小的空間中,以允許客戶將其納入自己的佈局。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而可在試驗台上驗證,之後建構自身的版本。

對於最終應用,具有更高電壓的更大容量電池將有助於最佳化提供給USB埠的充電電流量。

CN0509是一個滿足設計需求的良好設計,但對於該特定應用,可以運用更纖薄的設計來降低行動電源的整體成本。例如,LTC7103和輸入極性保護電路對於如此設計是不必要的,隔離返馳式電源可以直接從LTC4162的輸出供電(AC-DC牆式電源轉接器的12V電壓或市電電源斷開後的電池電壓)。

結論

使用現成的硬體和簡單的電源製作一個行動電源或任何其他電源設計的原型當然可行。本文說明使用現有展示板硬體可以快速為潛在專案提供概念驗證,而無需在開發上過多投入。此外,在用戶決心開展更整合的設計之前,這一相對較小但有價值的步驟將為使用者帶來信心。還有一點值得重申,電源設計(更具體而言是電源設計的佈局)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。

活動簡介

人工智慧(AI)無所不在。這一波AI浪潮正重塑並徹底改變科技產業甚至整個世界的未來。如何有效利用AI協助設計與開發?如何透過AI從設計、製造到生產創造增強的體驗?如何以AI作為轉型與變革的力量?打造綠色永續未來?AI面對的風險和影響又是什麼?

AI⁺ 技術論壇聚焦人工智慧/機器學習(AI/ML)技術,涵蓋從雲端到邊緣、從硬體到軟體、從演算法到架構的AI/ML技術相關基礎設施之設計、應用與部署,協助您全面掌握AI最新技術趨勢與創新,接軌AI生態系佈局,讓機器學習更快速、更經濟、更聰明也更有效率。

贊助廠商

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論