一、所选任务介绍

本项目选择的任务为“单节锂电池升压5V电源模块”设计。该模块主要用于将单节锂电池（标称 3.7V，工作电压范围 2.7V–4.2V）转换为稳定的 5V 直流电源，可广泛应用于 USB 小负载供电、无线通信节点、便携显示模块以及各种传感器系统。

二、设计方案介绍

模块采用同步开关升压架构，整体功能结构划分为四大区域：锂电池输入与使能区、Boost 升压核心功率区、负载电流采样区及电源输出与指示区。

• 输入与使能区：预留 接口（U1）接入单节锂电池，提供明显的正负极极性标注；引出 EN 使能控制接口，支持高电平开启与低电平低功耗关闭。
• 升压功率区：采用开关升压芯片 TPS61023，外围搭配 1.0µH 高饱和电流功率电感 L1 及 10µF 输入电容 C2，将 2.7V–4.2V 电池电压高效升压至 5V。
• 采样与输出区：输出端串联 10mΩ 精密电流采样电阻（R4），两端引出 TP3(I_in) 与 TP4(I_out) 测试点，方便测试负载电流；后级接双 22µF 贴片电容（C1, C3）平滑滤波，配置 LED1 电源指示灯及 H2 输出接口。

三、设计的模块介绍

1. 核心芯片与器件选择

1. 升压转换芯片 (U2 - TPS61023DRLR)
2. • 功能与应用：TI 推出的高集成度同步升压 DC-DC 转换器，输入电压范围 0.5V 至 5.5V，内部集成 3.7A 功率开关管，工作频率达 1MHz，转换效率高达 93%+，支持过温与输出过压保护。
   • DigiKey 官网链接：TPS61023DRLR - DigiKey

四、原理图和 PCB 设计介绍

1. 原理图设计（SCH）

• 电池接口：接口 U1 与 H1 排针平行接入 VBAT 与 GND，连接 TP1(VBAT) 和 TP2(GND) 输入测试点。
• 使能控制：引出 H1 Pin 2 控制 EN 引脚，高电平使能芯片，低电平进入超低功耗关闭模式。
• 功率与反馈：U2 的 VIN（Pin 3）接 VBAT，SW（Pin 5）接电感 L1 到 VIN，VOUT（Pin 6）经过 FB 分压网络（R1, R2）反馈至 FB（Pin 1）。
• 电流采样与输出：VOUT 输出后串联 10mΩ 电阻 R4，两端接 TP3/TP4，后级经 C1(22µF) 和 C3(22µF) 并联滤波，驱动 LED1 指示灯并经 H2 输出。

2. PCB 布局与布线设计

• 功率回路短粗：电池输入、电感 L1、SW 引脚与 VOUT 的主功率路径采用大面积宽铜箔连接，极大降低寄生电阻与电感，保证 1A+ 大电流能力并抑制开关噪声。
• 滤波电容紧贴：输入电容 C2 紧靠 VIN Pin，输出电容 C1、C3 紧靠 VOUT 与 GND 焊盘，大幅降低高频输出纹波。
• 反馈走线（FB）隔离：R1、R2 分压电阻紧靠芯片 FB 引脚放置，反馈敏感走线远离 SW 节点和电感等高频开关高噪声区域。
• 散热与接地：顶层与底层进行大面积 GND 铺铜，并在芯片底部和功率地区域打入多个接地过孔，确保良好的散热与地平面稳健性。

五、模块主要性能指标和管脚定义

1. 主要性能指标

2. 管脚与接口定义

六、心得体会与建议

1. 设计总结与心得

在本次“单节锂电池升压5V电源模块”的设计过程中，重点攻克了开关电源中高频开关噪声与大电流回路的 PCB 布局。通过优化 SW 节点铜箔面积、收缩大电流回路并在反馈环路上做好高频隔离，不仅保证了 1A 大电流输出下的热稳定性，还成功将输出纹波降低到了理想范围。

2. 改进意见与建议

1. 增加锂电池欠压保护（UVLO）：虽然芯片具备欠压关断，但建议后续增加专门的锂电池保护 IC（如 DW01），防止电池过度放电损坏。
2. 集成充电功能：未来迭代可在板上集成 TP4056 或 USB-C 充电芯片，实现“边充边放”与单板充电一体化设计。