IC过热、MOS关断尖峰偏高...一个充电宝引发的思考
转自公众号：面包板社区
一、前言
随着人们对智能手机依赖程度的不断增加，移动电源成为保持设备持续使用的重要装备，由于目前市面上的共享充电宝都涨价了，为了出行方便，于是产生了自己DIY个充电宝的想法。
最终成品
二、设计方案
移动电源的工作原理并不难，除了锂电电芯及其过充过放相关保护电路外，主要增加了一个升压电路，把锂电池的电压升至5V输出供电。
在网上找到一颗集成了升压转换器、锂电池充电管理和电池电量指示的多功能电源管理IC IP5306，可以说功能非常之全面及强大，一颗IC就把移动电源所需的功能实现。
1.同步升压系统：提供最大2.4A的输出电流，转换效率高至92%。空载时，IP5306会自动进入休眠状态，静态电流降至100uA。
2.开关充电技术：提供最大2.1A的电流，充电效率高至91%。内置IC温度和输入电压智能调节充电电流，支持1、2、3、4颗LED电量显示。
3.内置电源路径管理：支持边充边放的功能。
4.自适应充电电流调节：可以自适应适配器。
5.自动检测手机插入和拔出：具有自动检测功能。
并且输入输出带过充过放，过流、过压、短路保护等具多重保护、高可靠性。
如下典型应用原理图。
三、PCB和外壳设计
根据原理图进行PCBlayou和外壳设计，考虑现成物料的通用性，电量指示灯和照明灯都采用了现有物料的2835封装的LED。
PCB设计尺寸长68mm*宽10mm,因尺寸太窄所以采用双面板工艺，又考虑DIY工艺的可操作性，PCB顶层设放主要贴片的元件，通过锡膏上加热台焊接，底层的放置可以通过手工焊接的电阻电容，这样就可以先通过加热台把上层的元件焊接完成，再通过烙铁把底层的元件进行手工焊接了。
因为IP5306还支出按键操作和照明功能,所以外壳顶盖部分设计了轻触开关小孔和照明LED的窗口，照明窗口装上个透明的小方块即可进行密封和照明。
轻触开关短按一下会打开电量指示灯和升压输出，长按2S时会开启照明灯，1s 内连续两次短按键，会关闭升压输出、电量显示和照明 LED，如下设计完成的PCB和外壳效果。
四、样板制作和测试
PCB和相关物料回来后进行加热台焊接及手工焊接，然后对其基本功能进行测试。
1、充电功能
采用直流稳压电源5V输入，采用电子负载仪连接到PCB上的电池端，设定恒压模式模拟电池在不同电压下的充电电流参数进行测试。
由于电流较大，输入导线存在压降，所以采用万用表接在输入端确保电压的准确性。
模拟电池不同电压下的充电电流及相关参数
从实测数据看，电池在额定3.7V时充电效率为91.57% 符合规格书宣称的91%充电效率。由于BUCK降压电路特性，在负载在最低时，存在最大压差，此时电路工作在最恶劣条件状态，在2.9V时，效率为最低88.9%。电池电压在临近2.9V或以下时会切换为涓流充电模式，充电电流100mA。
对不同条件下的关键波形和温度进行测试确认，如下图为2.9V充电时，Pin5对地的开关波形和对应条件下IC的测试温度：
① 开关的尖峰电压在正常范围内，没问题。
②环境温度17°条件下，持续老化20分钟左右测得IC温度只有70°C，温升也是没问题的。
2、放电功能：
把锂电池3-4.2V电压通过同步升压电路，转换为5V电压输出。
采用直流稳压电路接电池端，电子负载仪接PCB输出端，模拟电池在不同电压下输出最大5V 2.4A时的参数进行测试。
电池电压在3.7V时，2.4A 5V输出效率91.2%，接近规格书宣称的92%效率。
同理升压时，电池电压在最低3V时，存在最大压差，此时电路工作在最恶劣条件状态，效率只有86.9%，而当电池电压低于3V时则进入保护状态，不工作输出。
对不同条件下的关键波形也进行确认，如下图为电池电压3V升压5V 2.4A进行输出时，Pin5对地的开关波形和对应条件下IC的测试温度：
内部MOS关断时的电压尖峰有点偏高，但还是可以接受的。
环境温度17°C条件下，持续输出20分钟左右，IC 温度就去到了104°C，显然IC温度也过高了，如果是放进密封的外壳持续工作最起码上110°以上了。
针对以上两个问题进行改善：
MOS管的关断尖峰有点无解了，一般情况下可以通过改变其开关速度或MOS的结电容解决的，目前是内置MOS就不好处理了，功率电感是紧挨着IC引脚的，PCB布线也没有需要改善的地方了，只能加RC吸收了。
对于IC温升过高问题：①把PCB铜箔厚度由1OZ改为2OZ，理论上有利于减少走线内阻产生的损耗，有利于降低走线的等效电感，降低开关尖峰，从而提升电源效率，降低功耗。②加大IC封装的散热覆铜面积，并在IC散热焊盘的背面区域设计出一片露铜工艺，通过IC底部焊盘上锡改善IC导热散热。③把PCB厚度由1.2改为1.0，改薄后可以降低了PCB热阻，使得IC能通过PCB或过孔更好的把热量传导到底部PCB散热。以上几点理论上均有助于改善IC导热散热，实在不行就只能通过PCB灌胶方式把热量传导到整个外壳进行散热了。
改善效果只能后续再验证了，收到3D打印的外壳后就迫不及待的进行试装确认了。
找了一款86x64x4.5mm尺寸的手机旧电池接线后，放进外壳，盖上盖就完成了。
需要注意的是对于锂电池的选型要结合厂家提供的技术参数和PCB的最大充放电电流确定的，举个栗子，如果厂家提供电池最大充电电流参数为0.5C的，目前我们3500mA.h电池最大的充电电流就是3500x0.5=1750mA了，如果接入我们最大充电电流2.79A的PCB，那么就超了，有可能会因电流过大导致电池直接损坏或缩短寿命的；倘若厂家给的最大参数为1C，就是3500x1=3.5A了，接入我们最大2.79A的充电PCB是完全没问题了，放电参数同理。由于无法找到我们所用旧电池的最大充电参数，而且是DIY自己用的，也就无所谓了。
完成后实物图，外壳的USB口尺寸开了有点偏大，其他都还好。
五、关于IP5306同步升降压原理及注意事项
在设计时发现IP5306规格书是没有对应IC内部框图资料的，在网上也找不到相关信息，为了对IC有深一步了解，我们找到了类似的一颗IC的内部框图，结合应用电路，来了解到了其同步升降压的工作原理。
电池充电时由 Q3,Q4，电感L组成BUCK降压电路，Q1、2,正常状态为常导通的，Q3为开关管，Q4为同步MOS管替代二极管减少功耗作用。
Q3 MOS管导通，Q4关断时；5V电压加在电感和电池上，电压给电池和电感充电，充电电流为红色箭头方向。
Q3关断，Q4导通时，电感L又放电给电池充电，充电电流为蓝色箭头方向。
电池放电时，由 Q3,Q4，电感L组成同步BOOST升压电路，Q4变为了开关管作用，Q3变为了同步MOS管作用。
Q4导通，Q3关闭时，电池放电给电感储能，电流方向为红色箭头方向；Q4关闭，Q3导通时，电感L进行放电，电感电压和电池电压叠加实现5V输出。
一边充电一边放电时，Q1,Q2导通后，输入输出就相当于导通，从而实现了边充电边放电功能。
在测试中发现IP5306这款IC宣称最大输出电流2.4A，而实际上IC本身并没有2.4A恒流或限流功能，就是输出时可以去到5V 2.6、2.7A或更大的电流，超额输出就意味着有可能出现故障了。如果只是给手机平板这些自带电流保护的设备充电还好，如果是给其他没电流保护的设备充电，有可能会因输出电流过大，烧坏IP5306 IC或者充电设备。
六、总结
读万卷书不如走千里路，只是看各种技术资料，很多问题都看不出来，还得在实际项目中通过不断实践验证才能学习成长。
此次DIY 一个小小的移动电源，可以说收获良多，除了熟悉了IP5306这款IC的应用外，还对同步升降压电路也有了进一步了解，在DIY过程中也发现了很多比IP5306 功能更加强大，功能更全面的IC方案，期待后续的测试验证。
