2025 Make Blocks阶段1 - USB-C锂电池充电模块设计

内容介绍

一、任务简介

设计一个支持USB-C接口的单节锂电池充电模块

具备充电状态指示LED
充电电流可调（100mA-1A）
包含过充过放保护
PCB尺寸建议控制在30mm×20mm范围内

二、模块介绍

任务理解：

本任务要求设计一个支持 USB-C 接口的单节锂电池充电模块。该模块需要实现以下功能：

充电状态指示 LED：显示充电过程中的各类状态。
充电电流可调（100mA–1A）：允许根据不同需求调节充电电流。
过充和过放保护：确保电池在充电和放电过程中不会超出安全工作范围。
PCB 尺寸要求控制在 30mm × 20mm 范围内：设计要考虑紧凑的空间限制。

该模块将使用两个核心器件：锂电池充电芯片和锂电池保护芯片，它们共同构成一个完整的充电和保护系统。最大充电电流为 1A。

芯片选择：

锂电池充电芯片：BQ24040
为了满足 1A 的最大充电电流需求，我们选择 BQ24040，这是一款来自 Texas Instruments 的集成电池充电管理 IC，具有以下优点：
- 支持最大 1A 的充电电流，适用于常见单节锂电池充电场景。
- 内置充电状态指示功能，能够输出电源和充电状态，简化 LED 显示设计。
- 包含可调的充电电流功能，通过外接电阻可设置不同的电流值（100mA 到 1A）。
- 集成电池保护功能，能有效避免过充、过放问题。
- 封装：6-pin DSE 封装，尺寸小，适合紧凑设计。
- 更多信息：BQ24040DSQR Texas Instruments | 集成电路（IC） | DigiKey
锂电池保护芯片：BQ29700
为了实现完整的电池保护，我们选择 BQ29700，这是一款专为单节锂电池设计的保护 IC，具有以下功能：
- 过充保护（OVP）：当电池电压超过安全范围时切断充电路径，防止电池损坏。
- 过放保护（UVP）：当电池电压过低时切断放电路径，避免过度放电。
- 过充电流保护（OCC） 和 过放电流保护（OCD）：检测充电和放电过程中的过流情况，确保系统安全。
- 短路保护（SCP）：防止因电路短路造成的损害。
- 外部 MOSFET 控制：配合两个 N 沟 MOSFET 实现电池的充电和放电路径的控制。
- 封装：6-pin DSE 封装，紧凑且高集成，适合紧凑型设计。
- 更多信息：BQ29700DSER Texas Instruments | 集成电路（IC） | DigiKey

功能说明：

该模块的设计目标是实现高效、安全的锂电池充电和保护功能，具备以下核心特点：

充电状态指示 LED：通过充电芯片的状态引脚，提供清晰的充电状态指示，帮助用户了解当前电池状态。
充电电流可调：可变电阻可以设定充电电流，在 100mA 至 1A 范围内灵活调节，适应不同的应用需求。
过充和过放保护：使用 BQ29700 实现电池的过充、过放、过流、短路等保护，确保电池在充电和放电过程中的安全性。
紧凑设计：通过高集成度的 BQ24040 和 BQ29700 芯片，搭配合理布局的电路设计，使 PCB 尺寸控制在 30mm × 20mm 以内。

应用领域：

该充电模块广泛应用于需要单节锂电池的便携设备中。

通过这个设计，用户不仅可以实现稳定的充电功能，还能确保锂电池在使用过程中的长寿命和安全性。

三、原理图和PCB设计

原理图

PCB正面

PCB正面（3D仿真图）

原理图规范：原理图与电路连接按照官方手册进行，保证电源、信号输入输出稳定可靠。
PCB布局：PCB设计时采用双面板布局，以有效利用板面空间并确保信号和电源走线的合理布局。
大电流设计：针对大电流，加宽电源走线。
标识规范：添加LED标识，添加电流标识。

四、性能指标和管脚定义

性能指标：

输入电压范围： 5V ± 10%（USB-C 或外部适配器输入）
最大输出电流： 1A（充电电流最大值）
充电电流可调范围： 100mA 到 1A
过充电压保护：最大 4.2V
过放电压保护：最小 2.5V

引脚定义：

该模块设计较为简单，主要通过电池连接和输出控制来实现充电和保护功能。引脚定义如下：

引脚名称	功能说明
Li+	电池正极连接引脚，连接到锂电池的正极。该引脚用于电池充电和放电路径的控制。
Li-	电池负极连接引脚，连接到锂电池的负极。此引脚为电池放电路径的控制端。
OUT+	输出正极引脚，连接到系统负载的正极，提供电池供电输出。
OUT-	输出负极引脚，连接到系统负载的负极，提供电池供电输出。

功能说明：

Li+ 和 Li-：连接到单节锂电池，供电和充电控制由充电 IC（如 BQ24040）和保护 IC（如 BQ29700）共同实现。充电时，电池会通过 Li+ 和 Li- 进行充电，而放电时，电池的能量通过 Li- 和 Li- 引脚供给负载。
OUT+ 和 OUT-：当模块充电时，OUT+ 和 OUT- 引脚负责提供电池对外输出的电流。该电流的最大输出为 1A，并且支持可调范围，适配不同的电池充电需求。
充电控制与保护：充电 IC（BQ24040）提供充电电流的调节（通过外接电阻设置 ISET），保护 IC（BQ29700）提供过充、过放电、过流、短路等保护功能，确保电池的安全使用。
过充和过放保护：当电池电压超过 4.2V 时，充电 IC 会切断充电电流；当电池电压低于 2.5V 时，保护 IC 会切断放电路径，从而保护电池避免过度充电和过度放电。

电流计算：

通过调整可调电阻的阻值，可以调整电流大小。当电阻为0时候，电流为1A；当阻值为10k时候，电流为50mA。具体计算公式可如下计算（已经串联了一个540Ω的电阻）：

五、物料及说明（eZ-PLM）

eZ-PLM系统物料列表

eZ-PLM系统项目详情图

针对本模块，将所需物料添加至eZ-PLM系统，并创建了对应的项目。

六、心得体会

通过本次项目，我对单节锂电池充电模块的设计有了更深入的了解。学习了如何根据充电电流、电池电压和保护需求来选择合适的器件，如选择 BQ24040 作为充电芯片和 BQ29700 作为电池保护芯片，并进一步掌握了如何在电路中考虑电流大小、散热设计以及过充过放保护等问题。