移動(dòng)電源，也叫“外掛電池”“外置電池”“后備電池”“數(shù)碼充電伴侶”，就是方便攜帶的大容量隨身電源。它是隨著數(shù)碼產(chǎn)品的普及和快速增長(zhǎng)而發(fā)展起來的，數(shù)碼產(chǎn)品功能日益多樣化，使用也更加頻繁，如何提高數(shù)碼產(chǎn)品的使用時(shí)間，持續(xù)供電的重要性就越來越凸顯了。移動(dòng)電源，就是針對(duì)并解決這一問題的最佳方案。

本文介紹的移動(dòng)電源具有以下特點(diǎn)

◆輸出電路1：USB 5V/3A輸出，功率15W。

◆輸出電路2：可調(diào)0.8～22V輸出，內(nèi)電池供電功率為30W，用外部直插電源供電功率為100W。

◆帶均衡電路：帶3串電容均衡電路，并且自帶外部接口均衡，留有6孔均衡充接口，并且有均衡指示。同時(shí)，該接口還是一個(gè)多功能接口，平時(shí)無電壓輸出，但插入接口后，自動(dòng)接通外部電源，可均衡，可輸出，還可以輸入，并有信號(hào)指示，且擁有過壓、過流、短路保護(hù)。

◆輸出電容：MLCC電容全部采用TDK電容，電解電容采用紅寶石130℃軍工電解電容，該電容耐熱性能高，容量不易減小，并且還采用了三洋聚合物固態(tài)電容，不會(huì)爆漿或燃燒。

◆內(nèi)部電源：采用3串18650鋰離子電池，并且可以換成3塊610608的聚合物電池，總輸出電壓12.6V。

◆4路電壓液晶顯示：可顯示充電電壓、電池電壓、USB電壓、可調(diào)電壓、USB輸出電流、可調(diào)電壓輸出電流以及外部充電電流。

◆靜態(tài)電流：5μA，開啟電壓表電流30mA，開啟電池端3780為4mA。

◆可為1臺(tái)筆記本供電，并具有外部電源的UPS模式。

◆3串2600mAh電池，總功率為30W，輸出電壓為12.6V。

◆監(jiān)視充電電流及負(fù)載電流。

◆尺寸：11cm×6cm×2cm。

移動(dòng)電源必須具有良好的移動(dòng)性和通用性。所謂移動(dòng)性，是指產(chǎn)品能在移動(dòng)狀態(tài)下(例如旅游、戶外活動(dòng)，充電器不在身邊或不方便充電的情況下)發(fā)揮其功用，即在Anywhere(任何地點(diǎn))、Anytime(任何時(shí)間)，不受局限地給數(shù)碼產(chǎn)品供電或充電。其通用性是指產(chǎn)品能夠適合最大范圍的數(shù)碼產(chǎn)品。其實(shí)，不僅如此，有的移動(dòng)電源可以通過USB電纜線使用在任何符合 USB On-the-Go(USB-OTG)的便攜型設(shè)備上(如 USB 電燈、USB 電熱咖啡壺等)。

移動(dòng)電源應(yīng)用的普及，讓其設(shè)計(jì)的安全性顯得尤為重要。由于一些移動(dòng)終端廠商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，我們多次聽到過手機(jī)電池爆炸傷人的事件，而造成電池爆炸的主要原因就在于電源管理部分的設(shè)計(jì)存在缺陷。因此，良好的電源管理設(shè)計(jì)是移動(dòng)電源安全性的保障，也是DIY移動(dòng)電源的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。用18650圓柱鋰電池或條狀的鋰聚合物電池DIY的移動(dòng)電源，在移動(dòng)狀態(tài)中隨時(shí)隨地為多種數(shù)碼產(chǎn)品提供電能(供電或充電)，這是目前市場(chǎng)比較流行的移動(dòng)電源方案。

筆者一口氣制作了3個(gè)移動(dòng)電源(見圖7.1)，逐步改進(jìn)并完善。第一個(gè)電源僅采用單純的LTC1700升壓方式，只能升壓到5V，供手機(jī)設(shè)備供電;第二個(gè)移動(dòng)電源采用雙路LTC3780與LTC1700混合模式，可以輸出5V的USB電壓，還可輸出兩組獨(dú)立可調(diào)的電壓，用來驅(qū)動(dòng)筆記本電腦等高耗電設(shè)備，并且還可以帶一只移動(dòng)的24V烙鐵，用來緊急時(shí)焊接使用;第三個(gè)移動(dòng)電源就是本文要為大家介紹的制作項(xiàng)目，含有一路LTC3780可調(diào)電壓輸出，可用來驅(qū)動(dòng)筆記本電腦，另一路3R33驅(qū)動(dòng)的5V USB電壓輸出，用MAX745控制充電，采用了電容均衡電路等，是3個(gè)DIY移動(dòng)電源中最為完善的。

設(shè)計(jì)電池管理電路

目前市面上主流的移動(dòng)電源基本都是單鋰電池升壓到5V的移動(dòng)電源，采用的芯片也各式各樣，運(yùn)用的方式也不盡相同。不管怎樣的移動(dòng)電源，都有一個(gè)共同的目的，就是把不同電壓的電池輸出都統(tǒng)一穩(wěn)定在5V電壓上，這要靠高效、安全的電池管理電路，而該電路的核心就是電池管理芯片。所以說，除了電池，移動(dòng)電源的靈魂就是電池管理芯片，這一點(diǎn)也不為過。

不同升壓芯片的工作原理是不一樣的，有同步整流的，有肖特基整流的。從效率與可靠性上來看，同步整流的效率可以高達(dá)98%，而采用肖特基整流效率一般在90%左右。這類的主要進(jìn)口芯片有凌利爾特公司的LTC1700、LTC1871、LTC3780，美信公司的MAX1703，德州儀器公司的TPS61030等，國(guó)產(chǎn)芯片有PT13001等。我的制作方案采用的升壓芯片是LTC3780，我認(rèn)為這是款性能極為優(yōu)異的芯片。不過現(xiàn)在凌利爾特有升級(jí)型號(hào)LTC3789，據(jù)說有恒流功能，本人用過幾塊LTC3789的DEMO板，但感覺沒有LTC3780好用，所以放棄了。

手持設(shè)備越來越多，功能也越來越復(fù)雜，帶來的耗電也隨之增加，只有5V電壓輸出往往不夠用了，大家更需要的是一種可以輸出調(diào)節(jié)電壓的移動(dòng)電源，既能升壓到5V，又能根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出不同的電壓，如筆記本需要的電壓在16～20V。正因如此，筆者才制作了本文介紹的這個(gè)電壓調(diào)節(jié)型的移動(dòng)電源，比市場(chǎng)上單一的5V電源功能強(qiáng)大多了。

常用電池管理芯片特點(diǎn)比對(duì)

◆從表7.1中，我們可以從幾個(gè)方面大概了解各個(gè)芯片的特點(diǎn)。

◆表7.1中的數(shù)據(jù)我再具體解釋一下：

(1)加*號(hào)的項(xiàng)目因?yàn)橥鈬兓螅静荒艽_定;

(2)干擾主要是指對(duì)外輻射的電磁波和輸出紋波;

(3)升級(jí)空間是指通過換電容、電感、功率管等，能帶來很大的性能提升;

(4)效率峰值是指最推薦使用的電流值，在此電流下發(fā)熱最小，效率最高;

(5)待機(jī)模式，跳周期干擾稍大，但是靜態(tài)小;PWM干擾小，但是靜態(tài)耗電大;

(6)PWM模式的芯片做成正負(fù)電源效果較好，F(xiàn)PM芯片容易負(fù)壓不穩(wěn);

(7)穩(wěn)定性是指不正常的外部環(huán)境(比如電壓波動(dòng)、短路、過流等)對(duì)電路造成損壞的可能性;

(8)單管升壓的典型電路板有BAU72、BAU89、BL8530等，售價(jià)為3～10元，屬于玩具級(jí)別;

(9)PWM芯片的典型電路板有RT9262、RT9266、PT1301、UC38XX等，售價(jià)為23～35元，屬于實(shí)用級(jí)別;

(10)焊接難度等級(jí)：低——尖頭烙鐵+焊錫即可搞定;中——除了烙鐵，可能還需要吸錫帶、助焊劑等工具;高——烙鐵焊接困難，需要工具齊全。

◆表7.1中的芯片都很好，特別是同步整流的，但元器件布局需要非常講究，否則會(huì)有很大待機(jī)電流，還有可能會(huì)發(fā)生自激。在這里面最難布線的是LTC3780，稍不注意就不會(huì)成功。

注：本表格中的數(shù)據(jù)摘自網(wǎng)絡(luò)資料

選擇電池

鋰電池乃移動(dòng)電源的動(dòng)力之源，分成很多種類，有鋰離子電池、鋰聚合物電池、動(dòng)力鋰電池、磷酸鐵鋰電池等。移動(dòng)電源主要采用可充電鋰離子電池、鋰聚合物電池，一般的手持式設(shè)備里也大多用這兩類電池，因?yàn)樗鼈儗儆诟吣芰棵芏鹊碾姵兀趩挝惑w積內(nèi)，儲(chǔ)存的電量一般比其他電池更大，重量更輕，體積更小。尤其是可充電鋰離子電池，它可以提供更高的能量密度(最高達(dá)200Wh/kg或300～400Wh/L，分別是Ni/Cd或者Ni/MeH電池的2.5倍和1.5倍)和更高的電池電壓(碳陽極電池為4.1V，石墨陽極電池為4.2V)，并具有無記憶效應(yīng)，自放電率小，有可快速充放電及更高的充放電次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。只要嚴(yán)格控制好鋰離子電池的充電參數(shù)，就能讓我們充分利用電池容量，延長(zhǎng)電池壽命。利用鋰離子可充電電池，自己DIY出實(shí)用的移動(dòng)電源。

本文介紹的移動(dòng)電源不光從制作方面入手，我還希望將制作過程中對(duì)各個(gè)電路及芯片和鋰電池安全性方面的設(shè)計(jì)考慮與大家分享。

鋰電池分類

◆按外形分：方形(如常用的手機(jī)電池)、柱形(如18650，本文采用)。

◆按外包材料分：鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池、軟包電池。

◆按正負(fù)極材料(添加劑)分：沽酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰電池、一次性二氧化錳鋰電池、鋰離子LIB、聚合物PLB。

◆按不同的性能、用途分：

一次性：扣式3V鋰錳電池;

高容量(高平臺(tái))：用在手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品上;

高倍率：用在電動(dòng)車和電動(dòng)工具及飛機(jī)模型上;

高溫：礦燈、室上燈飾、機(jī)器內(nèi)置后備電源;

低溫：室外環(huán)境、北方(冬天)、南極。

◆由于單節(jié)鋰電池的容量往往不能滿足一般手持設(shè)備的要求，如筆記本電腦之類的，所以就需要多節(jié)電池串/并聯(lián)，以提高移動(dòng)電源的儲(chǔ)存容量。本文介紹的移動(dòng)電源采用了3節(jié)2600mAh的18650電池，總?cè)萘繛?800mAh，并且還可以把該電池?fù)Q成3塊扁狀的鋰聚合物電池，體積更小，重量更輕。兩種電池如圖7.2所示。

實(shí)際電路設(shè)計(jì)

1. 充電電路

由于本次移動(dòng)電源采用的是3節(jié)鋰電池串聯(lián)，所以，我選擇了美信的MAX745專用充電電路，該電路是鋰電池1～4節(jié)專用充電IC，該芯片實(shí)物與電路如圖7.3所示。

MAX745在不需要任何散熱材料的條件下，恒定充電電流可達(dá)4A，充電電壓非常穩(wěn)定，電池兩端最大電壓誤差只有±0.75%。

MAX745采用雙回路穩(wěn)定充電電壓和充電電流，采用精度為1%的普通電阻，單體電池的充電電壓可在4.0～4.4V調(diào)整。如果改變其11、12腳的連接方式，MAX745充電器可對(duì)1～4節(jié)鋰離子電池充電，充電器總輸出電壓誤差小于±0.75%。MAX745的最高輸入電壓可達(dá)24V，可對(duì)最高工作電壓為18V的電池組充電?？刂破鏖_關(guān)頻率為300kHz，因此充電器噪聲很小，所用外部組件的體積也很小。

MAX745內(nèi)部可產(chǎn)生5.4V和4.2V兩種基準(zhǔn)電壓。5.4 V電壓除了給該集成電路供電外，還經(jīng)VL腳給外部電路供電。4.2V為該器件的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓通過外接電阻分壓器，可給電流誤差放大器、電壓誤差放大器及溫度誤差放大器提供不同的基準(zhǔn)電壓，還可經(jīng)REF腳給外電路供電。圖7.4是本制作采用的充電原理圖。

2. 升壓電路

升壓芯片采用的是凌特公司的高性能升降壓LTC3780，它是一款高性能降壓/升壓的開關(guān)型穩(wěn)壓器，可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下工作，并且最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)98%。恒定頻率電流模式架構(gòu)提供了一個(gè)高達(dá)400Hz的可鎖相頻率，可以在4～30V寬輸入和輸出范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同工作模式間的無縫切換。所以輸入電壓無論多少，輸出電壓都可以保持恒定，圖7.5是我所采用的升壓電路的原理圖，圖7.6所示為芯片與實(shí)物電路。

LTC3780轉(zhuǎn)換板與MAX745充電板設(shè)計(jì)到了一塊印制電路板上，其PCB圖如圖7.7所示。

3. USB 電源電路

USB電源采用的是固定模塊3R33，該模塊市面上很普遍，價(jià)格也很便宜，該模塊的主要IC是MPD2307，是款降壓型同步整流IC，效率很高，輸出5V3A提供給USB插口。電路原理圖及模塊實(shí)物圖分別如圖7.8、圖7.9所示。

4. 電壓、電流指示電路

為了直觀顯示充電情況，我設(shè)置了電壓、電流指示功能，該功能電路采用T26單片機(jī)，設(shè)計(jì)思路是：

■ 利用AVR單片機(jī)ATtiny26L四對(duì)差分AD做兩組VI轉(zhuǎn)換;

■ 利用內(nèi)部的1倍和20倍差分放大器自動(dòng)轉(zhuǎn)換來測(cè)量電壓，提高精度;

■ 每個(gè)AD做256個(gè)取樣平均值;

■ 利用內(nèi)部EEPROM做校正數(shù)據(jù)保存。

在對(duì)單片機(jī)ATtiny26L編程時(shí)，要注意，T26默認(rèn)的系統(tǒng)頻率是1MHz，要通過燒T26的熔絲位將系統(tǒng)頻率設(shè)為8MHz。

T26雙路電壓、電流表電路的原理圖如圖7.10所示，實(shí)物電路如圖7.11所示。

5. 鋰電池保護(hù)電路

鋰電池保護(hù)IC采用精工的S8254，該系列芯片是內(nèi)置高精度電壓檢測(cè)電路和延遲電路的3節(jié)串聯(lián)或者是4節(jié)串聯(lián)用鋰離子可充電池保護(hù)IC。本制作所采用的電路如圖7.12所示，實(shí)物如圖7.13所示。

6. 電源 UPS 切換電路

電源UPS切換電路可以實(shí)現(xiàn)的功能是：插入交流電后即由外部供電，并切斷與主回路電池的供電，可發(fā)揮電壓轉(zhuǎn)換器的作用，輸出0～20V可調(diào)，一旦外部電源切斷，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電池供電，并且無電壓重疊區(qū)。另外，當(dāng)接入外部電源后，同時(shí)給充電電池，充電電流0～3.5A可調(diào)。另外，外部電源的充電閥值電壓可設(shè)置(比如設(shè)置在14V，即低于14V，不接通充電回路，只接通升壓電路回路)，設(shè)置閾值在12～20V。其電路原理圖及PCB圖如圖7.14所示。

7. 電容均衡電路

移動(dòng)電源的電池組是由多個(gè)相同的電芯串、并聯(lián)組成的，這個(gè)過程中最重要的就是電芯的“相同”，但每個(gè)電芯是不可能完全一致的，比如內(nèi)阻、容量、電壓、充電放電曲線等都會(huì)有偏差，所以在充電或者放電時(shí)會(huì)有所不同。這些偏差有可能會(huì)使電池保護(hù)板提前保護(hù)，就不能有效地利用每個(gè)電芯的能量了。因此，就需要在電池組中加上均衡板。

目前采用得最多的是充電均衡板，主要是在充電過程中，保證每一個(gè)電芯在保護(hù)范圍內(nèi)都能均衡地充到某個(gè)點(diǎn)(滿電點(diǎn))。有一些均衡板還設(shè)計(jì)了放電均衡功能，確保每個(gè)電芯在保護(hù)范圍內(nèi)都能放完電量。

簡(jiǎn)單說，均衡是為了能使電池都能充滿、都能放完電量。本文采用的均衡板是電容式均衡板，可在充電與放電時(shí)對(duì)電池進(jìn)行均衡，最大均衡電流可達(dá)2A。電路原理圖、PCB圖與實(shí)物如圖7.15所示。

制作細(xì)節(jié)

先曬曬我的工具：百得鉆頭(見圖7.16，用來鉆孔)、打磨頭(見圖7.17，用來磨平)。

手工制作過程如下：

01 找到合適的鋁盒，剛好能放下各個(gè)電路板及其他附件，讓電路板、接口與電池都能安裝在該鋁盒內(nèi)。我采用的全鋁合金外殼(見圖7.18)，是在網(wǎng)上購(gòu)買的現(xiàn)成鋁盒，如果向廠家訂制，對(duì)個(gè)人來說，成本太高了。

02 焊好電路板(見圖7.19)，并對(duì)電路板進(jìn)行多方面的測(cè)試(見圖7.20)。把電源接入充電及升壓電路板，看充電電流是否達(dá)到設(shè)計(jì)值。本制作設(shè)計(jì)的充電電流為1.5A，不接負(fù)載時(shí)，靜態(tài)電流應(yīng)該在100μA以下，高于此值則說明有問題。輸出電壓可調(diào)范圍應(yīng)該在0.8～30V，負(fù)載電流要求為5A，負(fù)載短路時(shí)電路要起到保護(hù)作用，沒有輸出。這些都達(dá)到要求后，則表示電路板符合要求，可以裝入鋁盒內(nèi)使用了。

03 設(shè)置后插座布局。后面的插座需要兩個(gè)USB口，一個(gè)是iPhone專用充電接口，有識(shí)別電阻的，另一個(gè)為普通的USB供電口，右邊為可調(diào)輸出的電壓接口，左邊為電容均衡板接口，如圖7.21所示。

04 設(shè)計(jì)前擋板，按照鋁盒的前端樣式畫出PCB的輪廓，按輪廓剪切下來，后面我們要在該P(yáng)CB上進(jìn)行線路敷設(shè)。剪切出的PCB要跟前鋁盒擋板一樣大小(見圖7.22)。

05 將電壓表、電流表安裝在前擋板上(見圖7.23)。

06 用FeCl3溶液在前擋板上面腐蝕電源 UPS 切換電路的PCB圖(見圖7.24)，焊接好元器件后如圖7.25所示。

07 用電磨在前面板上開孔，開得圓孔后可用小銼刀在橫豎方向上銼出一個(gè)方孔出來(見圖7.26)。

08 在測(cè)試通過的主電路板后面加上鋁散熱板(見圖7.27)。

09 將主電路板與電壓表頭組裝成型(見圖7.28)。

10 用同樣的方法，制作出后面板開關(guān)電路(見圖7.29)，將該電路與保護(hù)板安裝在電池上，用含纖維的3M專用膠帶將其固定(見圖7.30)，保證連接可靠。

11 將上述部件都組裝到鋁合金外殼里，并連接好各回路導(dǎo)線(見圖7.31)。安裝好的后面板插座(見圖7.32)，從左向右依次是：左上充電口，左下均衡口，中間為USB接口，右邊為0.8～24V可調(diào)電壓輸出接口。

12 上電測(cè)試，液晶屏上面一行顯示電池電壓、充電電流，插入外部電源時(shí)顯示外部輸入電壓，下面一行顯示負(fù)載電壓、負(fù)載電流，如圖7.33所示。

13 試著給手機(jī)充電，通常手機(jī)屏上可以顯示充電的狀態(tài)，說明已經(jīng)開始在充電了。此時(shí)，液晶屏上可以顯示當(dāng)時(shí)的外部充電電壓和充電電流(見圖7.35)。

這個(gè)移動(dòng)電源的制作，從選材到成品，耗時(shí)3周，筆者從中體驗(yàn)了許多DIY的樂趣，為了提高穩(wěn)定性，我采用的元件全是正品大廠元器件，目前使用情況良好。如有錯(cuò)誤或改進(jìn)之處，歡迎廣大讀者批評(píng)指正。