如何使用MCP73844制作一个2S充电器模块
在这个项目中，我们将使用微芯片的 mcp73844 模块制作一个 2s 充电器模块。该充电器能够承受 2-12 伏特之间的电压，并以 2s 配置为锂离子和锂聚合物电池充电。该项目的目的是开发一种充电电路，可在任何消费级项目中用作子系统。充电器模块可以连接标准移动适配器或移动电源，也可以使用 12 伏充电器供电。我还将告诉您我们如何通过修改单个组件使用相同的电路为单个锂离子或锂聚合物电池充电。在这个项目中，我将在内部设计和制造整个电路，从电路设计、pcb 制造和焊接 smd 元件的一切都在内部完成。我们还将看到如何改变充电速率、散热、和其他参数，以使电路适用于不同的用例。我们之前做过不同的适用于不同电池化学成分或具有不同功能的电池充电器，如果您对此感兴趣或想了解有关电池的更多信息，请单击链接查看文章。
电池充电器电路概述
如上所述，该电路可以承受 2v 到 12v 之间的任何电压，因此我们主要关注由所有手机充电器、移动电源甚至计算机的 usb 端口提供的 5v 输入。电路分为2部分。使用 5v 输入时，第一步是将电压从 5v 升压，以便我们的充电器 ic 可以使用它。我们将这个电压提升到 12 伏。然后将升压后的电压馈入充电控制器电路，该电路随后提供受控输出以对电池充电。
mcp73844 线性充电管理控制器
系统的主要核心是充电器管理控制器 ic。我在这个项目中使用了microchip mcp73844。该 ic 属于 microchip 的线性管理控制器系列mcp 7384x，该系列专为低成本和空间有限的应用而设计。这些高度先进的 ic 采用恒压（cv） 和恒流（cc） 充电技术，与大多数低成本产品不同，它们具有电池预处理、自动充电终止、充电指示、安全定时器，甚至可选的电池温度监控等功能。我们使用的 ic 采用 8 引脚 msop 封装，如果您想要可选的电池温度功能，您可以选择mcp73841或mcp73842。mcp73843/mcp73844 模块的应用电路如下所示。
图 1 锂离子电池充电器电路
我们 ic 的功能框图取自数据表，如下所示：
在上面的功能框图中，thref 和 therm 2 个引脚仅在 mcp73841/mcp73842 中可用，用于监控电池温度，这些 ic 采用 10 引脚 msop 封装，不同于 8 引脚 msop 封装。我们用过的ic。除了这 2 个引脚之外，所有 4 个 ic 的连接和功能都是相似的。ic的引脚说明如下：
元件选择
充电器是高度可定制的，我们可以通过选择不同的无源元件来选择不同的充电速率、效率等。我们设计的充电电路是针对 2s 电池配置的最大 2a/小时充电速率。通过将最大输出电压 （vout_max） 与最大输出电流 （iout_max） 积分可以得出最大功率。因此，功率将为 16.8 瓦。我们的 ic 的连接如下所示。
笔记：
电阻值会改变此时的热量产生和功率损耗，可以通过公式 p=r*（i*i） 计算
功耗= 100 m w ´ 1 a^ 2 = 100 mw
因此，您在决定快速充电率时必须考虑到这一点。
我们使用的 mosfet 是 p 沟道mosfet s19433bdy，您可以用fairchild™ nds8434 或 irf7404 替换这个。
电池管理输入引脚 （vdd）
vdd 是输入电源，当 vdd 电源不存在时，它还可以防止电池耗尽，它在低于某个电压阈值时进入断电模式，从而提高电池的使用寿命。
我们使用肖特基二极管来防止反向电流流入升压电路。
散热考虑
在选择组件时，您要么必须限制充电电流，要么必须增加铜焊盘尺寸并包括多个通孔以有效散热，从而实现更好、更持久的操作。在选择组件时，您必须进行设计权衡。
绝对最大额定值
vdd -- 13.5v
所有输入和输出 wrt -- -0.3 至 （vdd+0.3）v
drv 引脚上的电流 -- ±4 ma
stat1 引脚电流 -- ±30 ma
最高结温，tj -- 150°c
储存温度 -- -65°c 至 +150°c
我们的充电器参数：
制作1s充电器：
如果您想为 1s 电池或单节锂离子/锂聚合物电池设计充电器，可以将 mcp73844 替换为 mcp73841 或 mcp73842。mcp73841 将具有完全相同的电路，而 mcp73842 将仅具有用于温度测量的附加连接。其余电路将保持不变。
使用mt3608的升压电路
如上所述，我们ic的工作电压在8.7 v至12 v之间，因此，为了使该系统兼容5 v输入，我们需要设计一个升压电路。考虑到这款充电器可以用于消费级产品，我们使用的ic是mt3608，采用6pin sot23封装，具有热过载保护、欠压保护和限流功能，效率高。下面给出基本应用电路和效率曲线。
mt3608技术数据：
ic的每个引脚的引脚图和功能如下-
mt3608 的绝对最大额定值
in、en 电压 -- -0.3v 至 26v
工作温度 -- -40°c 至 +85°c
fb 电压 -- -0.3v 至 6v
结温——160°c
sw 电压 -- -0.3v 至 30v
存储温度范围 -- -65°c 至 150°c
峰值 sw 灌电流和拉电流 -- 4a
mt3608 ic 能够接受低至 2v 的输入电压。对于我们的应用，我们有一个固定的 5v 输入，我们要求的输出应该低于 12v，因此我们将根据我们的要求设计电路。示意图如下所示：
如何设置输出电压
我们 ic 的内部基准电压为 0.6v。输出电压可以通过改变电阻器 rv1 和 r2 的值来控制，电阻器 rv1 和 r2 由公式给出 -
如果你愿意，你可以用一个 50k 欧姆的固定电阻来代替电位器，这会给你一个 9.6v 的恒定输出，这将适合我们的应用。
电感值应介于 4.7uh 至 22uh 之间。为了提高升压电路的效率，电感器必须在 1.2mhz 频率（mt3608 的工作频率）下具有较低的磁芯损耗和较低的 dcr 值。输入和输出电容均应为 22uc，应优先选择 esr 值较低的陶瓷电容。选择二极管时，二极管的击穿电压值应大于输出电压，因此肖特基二极管是此应用的不错选择。此外，二极管的额定电流应满足输出电流乘以峰值电流的均方根，可写为
对于我们的案例，我们将使用额定电流为 2 安培的肖特基二极管。
将组件放置在 pcb 中时的一些重要考虑因素
输入和输出电容应靠近 ic 放置。
主电流走线应保持短而宽（至少 20 mil）
公共接地层将有助于降低噪声并用作散热器。
设计该电路所需的元件有：
电容器
2 x 22uf
2×10uf
1 x 0.1uf
二极管
2 个肖特基二极管
1 个 led
集成电路
1 个 mcp73844
1 个 mt3608
电感器
1 x 20uh
电阻器
1 个锅
1×3.3
1 x 100 毫欧
1 x 1k
mosfet
s19443bda
设计和制造模块
选择所有组件后，我使用kicad 的原理图编辑器 eschemia 绘制了原理图。示意图如下。如上所述，电路分为两部分，升压电路和充电器电路。
完成原理图后，我将文件导出到 kicad 的 pcb 编辑器。牢记所有设计约束。我放置了所有组件并为公共接地做了铜浇注，如下图所示。
检查pcb连接后，我打印了pcb并使用铁盒将印刷品印在覆铜板上。覆铜板上的印记很好，然后我将 pcb 浸入氯化铁溶液中，并根据需要在铜溶液上留下痕迹。
注意：使用 smd 元件时，请始终记住拍摄 pcb 印刷品的镜像，因为当您将印刷品从纸转移到覆层时，您会得到镜像印刷品。
检查走线的连接性后，我焊接了板上的所有组件，之后剩下的就是测试设置。您可以从给定的链接下载gerber 文件。
使用 5v 输入测试电路
为了测试电路，我连接了 2 节标称电压为 3.7 v 和容量为 1200mah 的锂离子电池。两个电池串联时都充电至 7.55v。我连接了设置，充电灯开始发光。对于电源，我使用了 apple 的 10w 充电器，并用 usb 转 dc 桶形插孔电缆连接。电池在充满电之前连接了大约 50 分钟，并且 led 指示灯自动关闭，指示充电完成。
当我们测量流向电池组的电流时，它最大约为 1a，大部分时间约为 100ma-500ma。在最大功率下，电池以大约 9w 的功率充电。
使用 12v 输入进行测试
当我们用 12volt 充电器为充电器模块供电时，输出电压在 8-10v 左右，但输出的电流高达 2.2amp，功率超过 16w。使用此设置，电池在快速充电阶段可能会稍微变热，但这应该不是问题，也不会降低电池的使用寿命。
最终判决
这是一个非常简单但有效的电路，可用于消费级产品。整个系统的尺寸可以有效地减小，但是因为我们试图在内部制造它，所以我们没有将组件放置得很近。充电模块具有非常高的效率并具有许多功能，例如对电池进行预处理，这是便宜的选项所不具备的，此功能以可控的方式补充过放电的电池，从而提高电池的使用寿命。这种高度可定制的设计可以真正提高电池组的整体效率和健康状况。
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如上所述，该电路可以承受 2v 到 12v 之间的任何电压，因此我们主要关注由所有手机充电器、移动电源甚至计算机的 usb 端口提供的 5v 输入。电路分为2部分。使用 5v 输入时，第一步是将电压从 5v 升压，以便我们的充电器 ic 可以使用它。我们将这个电压提升到 12 伏。然后将升压后的电压馈入充电控制器电路，该电路随后提供受控输出以对电池充电。
mcp73844 线性充电管理控制器
系统的主要核心是充电器管理控制器 ic。我在这个项目中使用了microchip mcp73844。该 ic 属于 microchip 的线性管理控制器系列mcp 7384x，该系列专为低成本和空间有限的应用而设计。这些高度先进的 ic 采用恒压（cv） 和恒流（cc） 充电技术，与大多数低成本产品不同，它们具有电池预处理、自动充电终止、充电指示、安全定时器，甚至可选的电池温度监控等功能。我们使用的 ic 采用 8 引脚 msop 封装，如果您想要可选的电池温度功能，您可以选择mcp73841或mcp73842。mcp73843/mcp73844 模块的应用电路如下所示。
图 1 锂离子电池充电器电路
我们 ic 的功能框图取自数据表，如下所示：
在上面的功能框图中，thref 和 therm 2 个引脚仅在 mcp73841/mcp73842 中可用，用于监控电池温度，这些 ic 采用 10 引脚 msop 封装，不同于 8 引脚 msop 封装。我们用过的ic。除了这 2 个引脚之外，所有 4 个 ic 的连接和功能都是相似的。ic的引脚说明如下：
元件选择
充电器是高度可定制的，我们可以通过选择不同的无源元件来选择不同的充电速率、效率等。我们设计的充电电路是针对 2s 电池配置的最大 2a/小时充电速率。通过将最大输出电压 （vout_max） 与最大输出电流 （iout_max） 积分可以得出最大功率。因此，功率将为 16.8 瓦。我们的 ic 的连接如下所示。
笔记：
电阻值会改变此时的热量产生和功率损耗，可以通过公式 p=r*（i*i） 计算
功耗= 100 m w ´ 1 a^ 2 = 100 mw
因此，您在决定快速充电率时必须考虑到这一点。
我们使用的 mosfet 是 p 沟道mosfet s19433bdy，您可以用fairchild™ nds8434 或 irf7404 替换这个。
电池管理输入引脚 （vdd）
vdd 是输入电源，当 vdd 电源不存在时，它还可以防止电池耗尽，它在低于某个电压阈值时进入断电模式，从而提高电池的使用寿命。
我们使用肖特基二极管来防止反向电流流入升压电路。
散热考虑
在选择组件时，您要么必须限制充电电流，要么必须增加铜焊盘尺寸并包括多个通孔以有效散热，从而实现更好、更持久的操作。在选择组件时，您必须进行设计权衡。
绝对最大额定值
vdd -- 13.5v
所有输入和输出 wrt -- -0.3 至 （vdd+0.3）v
drv 引脚上的电流 -- ±4 ma
stat1 引脚电流 -- ±30 ma
最高结温，tj -- 150°c
储存温度 -- -65°c 至 +150°c
我们的充电器参数：
制作1s充电器：
如果您想为 1s 电池或单节锂离子/锂聚合物电池设计充电器，可以将 mcp73844 替换为 mcp73841 或 mcp73842。mcp73841 将具有完全相同的电路，而 mcp73842 将仅具有用于温度测量的附加连接。其余电路将保持不变。
使用mt3608的升压电路
如上所述，我们ic的工作电压在8.7 v至12 v之间，因此，为了使该系统兼容5 v输入，我们需要设计一个升压电路。考虑到这款充电器可以用于消费级产品，我们使用的ic是mt3608，采用6pin sot23封装，具有热过载保护、欠压保护和限流功能，效率高。下面给出基本应用电路和效率曲线。
mt3608技术数据：
ic的每个引脚的引脚图和功能如下-
mt3608 的绝对最大额定值
in、en 电压 -- -0.3v 至 26v
工作温度 -- -40°c 至 +85°c
fb 电压 -- -0.3v 至 6v
结温——160°c
sw 电压 -- -0.3v 至 30v
存储温度范围 -- -65°c 至 150°c
峰值 sw 灌电流和拉电流 -- 4a
mt3608 ic 能够接受低至 2v 的输入电压。对于我们的应用，我们有一个固定的 5v 输入，我们要求的输出应该低于 12v，因此我们将根据我们的要求设计电路。示意图如下所示：
如何设置输出电压
我们 ic 的内部基准电压为 0.6v。输出电压可以通过改变电阻器 rv1 和 r2 的值来控制，电阻器 rv1 和 r2 由公式给出 -
如果你愿意，你可以用一个 50k 欧姆的固定电阻来代替电位器，这会给你一个 9.6v 的恒定输出，这将适合我们的应用。
电感值应介于 4.7uh 至 22uh 之间。为了提高升压电路的效率，电感器必须在 1.2mhz 频率（mt3608 的工作频率）下具有较低的磁芯损耗和较低的 dcr 值。输入和输出电容均应为 22uc，应优先选择 esr 值较低的陶瓷电容。选择二极管时，二极管的击穿电压值应大于输出电压，因此肖特基二极管是此应用的不错选择。此外，二极管的额定电流应满足输出电流乘以峰值电流的均方根，可写为
对于我们的案例，我们将使用额定电流为 2 安培的肖特基二极管。
将组件放置在 pcb 中时的一些重要考虑因素
输入和输出电容应靠近 ic 放置。
主电流走线应保持短而宽（至少 20 mil）
公共接地层将有助于降低噪声并用作散热器。
设计该电路所需的元件有：
电容器
2 x 22uf
2×10uf
1 x 0.1uf
二极管
2 个肖特基二极管
1 个 led
集成电路
1 个 mcp73844
1 个 mt3608
电感器
1 x 20uh
电阻器
1 个锅
1×3.3
1 x 100 毫欧
1 x 1k
mosfet
s19443bda
设计和制造模块
选择所有组件后，我使用kicad 的原理图编辑器 eschemia 绘制了原理图。示意图如下。如上所述，电路分为两部分，升压电路和充电器电路。
完成原理图后，我将文件导出到 kicad 的 pcb 编辑器。牢记所有设计约束。我放置了所有组件并为公共接地做了铜浇注，如下图所示。
检查pcb连接后，我打印了pcb并使用铁盒将印刷品印在覆铜板上。覆铜板上的印记很好，然后我将 pcb 浸入氯化铁溶液中，并根据需要在铜溶液上留下痕迹。
注意：使用 smd 元件时，请始终记住拍摄 pcb 印刷品的镜像，因为当您将印刷品从纸转移到覆层时，您会得到镜像印刷品。
检查走线的连接性后，我焊接了板上的所有组件，之后剩下的就是测试设置。您可以从给定的链接下载gerber 文件。
使用 5v 输入测试电路
为了测试电路，我连接了 2 节标称电压为 3.7 v 和容量为 1200mah 的锂离子电池。两个电池串联时都充电至 7.55v。我连接了设置，充电灯开始发光。对于电源，我使用了 apple 的 10w 充电器，并用 usb 转 dc 桶形插孔电缆连接。电池在充满电之前连接了大约 50 分钟，并且 led 指示灯自动关闭，指示充电完成。
当我们测量流向电池组的电流时，它最大约为 1a，大部分时间约为 100ma-500ma。在最大功率下，电池以大约 9w 的功率充电。
使用 12v 输入进行测试
当我们用 12volt 充电器为充电器模块供电时，输出电压在 8-10v 左右，但输出的电流高达 2.2amp，功率超过 16w。使用此设置，电池在快速充电阶段可能会稍微变热，但这应该不是问题，也不会降低电池的使用寿命。
最终判决
这是一个非常简单但有效的电路，可用于消费级产品。整个系统的尺寸可以有效地减小，但是因为我们试图在内部制造它，所以我们没有将组件放置得很近。充电模块具有非常高的效率并具有许多功能，例如对电池进行预处理，这是便宜的选项所不具备的，此功能以可控的方式补充过放电的电池，从而提高电池的使用寿命。这种高度可定制的设计可以真正提高电池组的整体效率和健康状况。
基于LED的隧道智能照明技术方案研究
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常见的PCB结构图纸错误分析与解决方案
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