锂电池充电板电路设计

  写这篇文章的目的主要是个人经验的总结，希望能给开发者们提供一种锂电池充电电路以及电源显示的电路思路。接下来从以下几个方面讲述电路。
设计这款电路的初衷是想用一块硬币大小的锂电池作为供电电源（3.5V-4.2V），降压供给3.3V电源；升压供给5V电源；拥有锂电池充电电路可以通过TypeC接口充电并且可以显示电量以及电池是否充满。为此而设计此电路，为大家提供一种新思路。

1.boost_5V电路

为了将3.7V-4.2V升压并稳定在5V，这部分电路电源芯片选择的是德州仪器TLV61048。

首先电源芯片选型完成后就要开始学习它的电路设计以及理论公式。我之所以选择德州仪器的芯片主要是本人也是小白，它的芯片手册很详细非常适合新手入门学习。

电源设计除了纹波是关于PCB布局，其他的一些特性从图中可以看出（截图于数据手册） 电压输入：2.65-5.5V；输出电压最高14V；转换效率高达90%；600KHZ,1MHZ两种工作模式。


电路原理图如图所示，有了大致了解之后了解每个引脚特性。

SW：开关引脚内置MOS管。
FB：反馈引脚，通过电阻反馈输出电压，闭环实时调节输出。
EN：开关引脚，逻辑高电平开启工作，逻辑低电平关闭模式（此引脚控制芯片的工作）。
FREQ：频率设置引脚，当引脚为高电平时600KHZ模式，当引脚为低电平时1MHZ模式。

几个比较重要的参数，VREF=0.8V，ILIM_SW=3.7A左右最优。
理论部分

1.输出电压设置公式一

公式1：

VOUT是所需的输出电压
VREF是FB引脚上的内部基准电压
输出电压通过外部电阻分配器进行编程。如公式1所示，通过选择外部电阻分频器R1和R2，可将输出电压编程为所需的值。当调整输出电压时，FB引脚上的典型电压为VREF为800 mV。
为获得最佳精度，R2应保持小于150 kΩ，以确保流经R2的电流至少是FB引脚漏电流的100倍。将R2向较低的值改变增加了对噪声注入的抗扰度。将R2向更高的值改变可以降低静态电流，从而在低负载电流下实现更高的效率。
Example:将FB=0.8V，VOUT=5V代入可得R1=5.25*R2，当R1=590K,R2=113K时带入公式可得输出电压约为5V。

2.电感选择公式二——四

由于电感的选择影响到稳态运行、暂态行为和回路稳定性，因此电感是功率调节器设计中最重要的部件。有三个重要的电感规格：电感值、饱和电流和直流电阻(DCR)。TLV61048TLV61048的设计电感值在2.2uH到10uH之间。使用公式2到公式4计算应用电感的峰值电流。要计算最坏情况下的电流，请使用应用程序的最小输入电压、最大输出电压和最大负载电流。为了有足够的设计余量，请选择公差为-30%且功率转换效率较低的电感值进行计算。在升压稳压器中，电感直流电流可以用公式2来计算。
公式2：

VOUT	output voltage	5V
IOUT	output current	2A
VIN	input voltage	4.1V
η	power conversion efficiency, use 80% for most applications	0.8

example:5V设计带入，因为是小功率所以我选择的电流是2A，使用锂电池输入电压就是4.1V。

用公式3计算了连续导通模式下异步Boost变流器的电感纹波电流。
公式3:

ΔIL(P-P)	inductor ripple current	/
L	inductor value	2.2uh
fSW	switching frequency	1MHZ
VOUT	output voltage	5V
VIN	input voltage	4.1V

example:5V设计带入，1MHZ模式，电感2.2uh（符合设计要求即可）…

因此，使用公式4计算电感峰值电流。
公式4:
正常情况下，建议使用小于平均电感电流40%的电感峰峰值电流来实现最大输出电流。较大值电感产生的较小纹波可降低电感和EMI中的磁滞损耗。然而，以同样的方式，负载的瞬时响应时间被增加。

负载暂态和环路响应性能在1-MHz配置下得到优化，选择较小的电感将右半平面零点推高至超出控制环路交叉频率的较高频率。表中列出了1-MHZ操作的推荐电感。

综上本人设计的电感器峰值电流只要大于3.6A即可。根据自己的设计需求选择，根据公式求取。

3.输入输出电容选择公式五

输出电容的选择主要是为了满足输出涟漪和环路稳定性的要求。该涟漪电压与电容器的电容及其等效串联电阻（ESR）有关。假设陶瓷电容器的ESR为零，则给定涟漪所需的最小电容可通过公式五计算：
公式5：

DMAX	最大开关占空比
VRIPPLE	峰峰值输出电压涟漪

如果使用钽或铝电解电容器，则必须考虑ESR对输出纹波的影响。在评估陶瓷电容器在直流偏置、老化和交流信号下的降额时要小心。例如，直流偏置可以显著降低电容。陶瓷电容器在其额定电压下可能会损失超过50%的电容。因此，请始终在额定电压上留有余量，以确保在所需的输出电压下有足够的电容。对于600 kHz配置，TI建议使用有效电容范围为4.7至10µF的输出电容器。TI还建议在TLV61048的GND引脚的整流二极管阴极两端放置一个小的1µF电容器，以降低高有效值电流回路的电感。输出电容影响升压调节器的小信号控制回路稳定性。如果输出电容低于该范围，升压调节器可能会变得不稳定。在脉宽调制模式下，增大输出电容使输出电压纹波变小。

原理图

TI很贴心的给出了PCB设计布局图，本人是业余的照着画的。

2. 3V3电路

3.3V电路选择的是线性稳压器。

最终电源电路如图。注意你的TVS（TVS管作为浪涌静电），焊接时注意正负，这个家伙标志很小！！！

参考这位大佬的文章你就会明白TVS了，不用谢我只是大佬的搬运工
链接: https://blog.csdn.net/u010614434/article/details/105338417

3.锂电池充电电路

充电芯片选择的是 LGS4084H，其支持4.2V/4.25V/4.3V/4.35V 锂电池类型，不带后缀版本为4.2V，LGS4084H 是一款集成锂电池充电管理、电池充电状态指示的线性锂电池充电管理芯片，为单节锂电池提供完整的电源解决方案。LGS4084H具有短路（SC）、涓流（TC）、恒流（CC）和恒压（CV）四种充电过程：短路充电（SC）可对 0V的电池充电；涓流充电(TC)可预充电恢复完全放电的电池；恒流充电（CC）可快速的对电池充满；恒压充电（CV）可确保安全的充满电池。 LGS4084H 充电电流可通过外部电阻进行设置，最 大 充电电流 500mA。当充电电流降至设定值的 1/10 时，LGS4084H 将自动结束充电过程，并持续检测电池电压，下降到一定阈值时自动再充电。当输入电压（USB源或AC 适配器）拿掉后，自动进入低功耗模式，电池端漏电在1uA以下。 LGS4084H 集成充电和充满提示，以及电池未连接指示。ESD(静电放电）敏感器件。 带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高能量 ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。也就是说要防静电。

符号	含义	推荐值	备注
CVCC	充电输入稳压电容	10μF，16V，0603	陶瓷电容，耐压值大于 16V
CBAT	电池充电输出稳压电容	10μF，16V，0603	陶瓷电容，耐压值大于 16V
RLED	LED限流电阻	1K	根据灯的亮度需求选择，1K以上
RPROG	恒流充电电流设置电阻	2K（500mA恒流设置）	由公式IBAT=(VPROG/RPROG)*1000设定，VPROG=1V,精度1%电阻

充电状态指示灯
LGS4084H 集成充电和充满提示，以及电池未连接三种充电状态指示。电池未连接时，LED 灯会进入闪烁报警
状态。LGS4084H有两个漏极开路状态输出端：CHRG和FULL，当充电进行时，CHRG被拉到低电平，FULL 为高阻态；充电结束后，CHRG为高阻态，FULL被拉到低电平。 如果不使用状态指示功能时，将不用的状态指示
输出端接地。下图表示状态指示功能总结：

充电状态	CHRG	DONE
正在充电	亮	灭
充电完成	灭	亮
电池未接	闪烁	亮
欠压、温度过高或者过低	灭	灭

推荐PCB布局举例

4.电量显示电路

电量显示选择的是华之美的HM1160，+1160是一款单节锂电池电量指示芯片，该芯片采用CMOS工艺实现，体积小，便于便携式产品安装。 +1160内置比较器和反馈回路，实现4个电压点的检测。

VDD（引脚1）	电源
GND（引脚2）	接地端
D1-D4（引脚3-6）	LED1-LED4输出指示，D1为低压端指示，D4为高压端指示

功能框图

很多芯片的内部原理图本人水平有限是看不懂的，水平还停留在应用阶段。但是它的工作原理很简单，四个比较器后各自连接一个双极型晶体管，负端的参考电压都为1.2V，通过检测VDD上的电阻分压从而判断电量的大小。
VDD串联四个电阻可以看出越是上面的，电阻分压越高。当比较器正端电压大于1.2V时，比较器正向驱动三极管导通从而控制D1-D4。

本人水平有限有一块不明白望大佬帮忙，比较器工作时NPN三极管导通D4电压应该为GND，D1肯定第一个灭，D4肯定最后一个灭。官方提供的这张电量示意表这就肯定和原理图相悖了。不然就是PNP三极管类型，但是这类三极管我没见过这种接法。

PCB原理图设计

本人设计的这块板子有两个模式，充电模式、放电模式，充电时拨码开关要打到充电处（有字标号），同理放电也是。

实验结果

给锂电池充电

充电中红灯亮。

充满后可以看到绿灯亮。

锂电池放电

开始放电时电量4.06V，负载为直流减速电机。

40分钟后电量放到了3.65V。

演示视频

202408071057

视频链接
以上就是全部介绍了，本人不足之处请指正哈。
嘉立创开源链接：https://oshwhub.com/roudragon/c706596_-sheng-ya-dc-dc-xin-pian-fang-an-yan-zheng-ban-xiao-feng-zhuang-1_2024-04-22_14-30-16
芯片数据手册链接：https://pan.baidu.com/s/1kvz3DWb_iQHfN0lyTk2YWg?pwd=1rsf
提取码: 1rsf