DIY电容点焊机第三弹：教你设计一款4电容平衡充电板

开心果1

上次做了点焊机后平时也不经常用，但是时不时还要充一下电，没有均衡板每次充电都是一个电容一个电容充的，很麻烦于是就基于上次的板子再开发一块充电均衡板，两块板子上下叠焊起来，也可以节省不少空间，说干就干！

一、先定下设计要求

1:充电方式，
因为板子设计是5-12V通用，所以充电电压不能低于12V，可以用电源适配器，但是电源适配器需要额外购买，占地方又费钱，果断PASS。手机充电器，体积小而且人手一个，比较合适，并且现在的手机充电器基本都支持快充协议，可以轻松输出12V,所以充电方式定位Type-C+协议触发形式
2降压方式:
又回到上一个问题，板子是5-12V通用，直接输入12V是肯定的不行的，必须降压，体积又小效率又高（效率高意味着更低的发热）还需要电压调节，自然是用BUCK降压电路更合理。
3恒流方式：
只降压，没有横流，电容电量低的时候降压模块会很快烧坏，所以不可取。需要加入恒流电路，限制BUCK电路的最大电流，因为板子尺寸有限，散热能力更有限，所以电流暂定3A，3A以内元器件选择受到的约束也更少。
4电容平衡：
由于电容串联充电，体质不同的电容组合使用必然会出现充电电压不均衡的问题，需要设计均衡电路，检测每一个电容的电压，检测到电压过高则对电压过高的电容进行放电。


二、物料选型与电路设计

1：Type-C协议触发最方便的当然是集成块了，外围电路简单，并且集成块一般支持多种协议，是最合适的选择，但是缺点也很明显，就是贵！找了找没有特别合适的芯片来触发协议，索性就用论坛比较火的QC2.0协议触发，但是QC2.0协议有个弊端就是D+ D-需要有上电顺序，这个需要加一个RC定时来触发，设计电路如下
R1限流，用D2的硅管特性取得0.7V压降触发DP。R2,R11组成分压电路，对C3和C4充电，D1起到钳位作用（防止充电过程中C3/C4电压不稳定引起协议误触发或不触发），电容充满电后D1的1脚电压1.5V D1和Q2开始工作。利用D3压降来触发DN。LED2是电源指示，协议触发后击穿VS1 LED3点亮。拔掉TYPE-C插头后，R11放掉C3/C4的电，为下一次充电做准备。

2：BUCK降压芯片选择，输出电流3A，BUCK芯片的额定电流就要＞3A才可以，这种芯片一般负载越大，效率越低，所以至少5A的芯片才能满足设计要求，找了一下XL4015E1这款芯片挺合适的，3A输出效率还有90%左右，并且芯片的FB引脚支持TTL控制输出，这正是我需要的


FB引脚接入TTL电平，电压高于3.3V断开输出，电压低于0.8V恢复输出，刚好可以利用运放检测输出电流，再经过放大，比较后送到FB引脚实现横流


降压电路设置如下，R11/R18/RP1组成调压电路，输出电压计算公式为VOUT=1.25*(1+R17/R18+RP1) 因为输入只有12V输出电压只能达到11.25V左右
D4续流二极管应该选择大电流肖特基耐压40V即可


3：恒流电路
因为检测到的电压信号幅度非常低，直接送到运放判断，误差会比较大，所以加入10倍放大，先放大信号再跟基准判断，电路设计如下
检测的R23上的压降，1A/0.1V，放大十倍后1A/1V。2脚提供一个3V基准电压，电流小于3A运放输出低电平D5截止，电流大于3A运放输出高电平D5正向导通FB关断，同时点亮LED7


运放供电电路如下
R28限制VS2击穿电流，R29限制5V供电电流


4均衡电路：
均衡电路比较简单，直接采用电容专用的均衡芯片BW6101芯片即可电路如下
D6/D7是防逆流的，SEL引脚是电容电压选择，接高是2.65V接低是2.45V，Q1/R6/R39组成负载放电电路，电压超过2.7V OUT会输出高电平来释放电容能量
MOS管采用低耐压大电流的。原理图丝印错了，选成Pmos了，实际使用的是电脑主板拆的Nmos，只要是TO252封装的都可以用。并不局限某一个型号


原理图总览



三、PCB设计：

需要注意BUCK电路有较大的谐波干扰，FB信号线需要被地线包围。输入和输出的电容因尽量靠近BUCK芯片引脚，并加入退耦电容，输入输出的线应尽量短尽量粗。板子多处发热比较严重，应采用大面积覆铜，来分散热量。TYPE-C座采用可分离设计，方便用排线引到其他地方充电



板子设计完就送去嘉立创打样。等待两天后板子到手，嘉立创免费打样必须赞一个



四：焊接调试与勘误

准备原件


先焊接如下图所示原件，插上type-c插头看看协议是否正常触发只焊C3大概3秒触发C4可以不焊


TYPE-C座细节


插上TYPE-C插头，POWER灯点亮等3秒后QC2.0协议灯点亮，说明协议触发正常


输出电压12V


继续焊接LM358的供电部分并测试电压，一个人不好拍照测试点在下图所示位置


板子预留的5V测试点


焊接BUCK电路部分


上电调整RP1，我的是3电容串联所以电压调整8V，实际应该更高一些，因为还有防逆流二极管的压降也要算进去


画图的时候358的供电搞错了，导致上电烧了5V限流电阻，飞线改正一下


带负载2.7A就恒流了（主要是基准分压电阻阻值误差，康铜丝误差，以及放大器反馈电阻精度导致的）


板子上的CC灯点亮，因为横流后BUCK电路工作在震荡状态，电感声音还是比较明显的


继续焊接均衡部分，因为我只用3路，所以C4直接短接，焊接C1/C2/C3部分即可


C1+/C1-接入2.8V电压，C1-ON点亮说明均衡电路已经工作了，其他两路也是这样调试即可


插上Type-c插头，由于空载状态，每个均衡电路都轻微导通


C1两端电压


三个电容串联，有两个中点，所以焊2条线出来


原来的板子加个铜鼻子改造一下，才能和这块板适配起来。铜柱有点短，加高一下


装配过程就不再叙述了，接入12V恒流充电正常


12V输入电流不到2A，功率20W左右，因为我的电容本身有电，所以几分钟就充满了，板子整体温升不大，长时间工作温度估计不会太低


电流小于3A后CC灯熄灭，进入恒压充电模式


再多角度展示一下



由于咸鱼有不讲武德的人在售卖论坛的开源资料，PCB我就不再公布了，上传Gerber文件有需要的可以直接下载去打样

最后上传电容点焊机的Gerber文件以及HEX文件还有保护板的Gerber文件下载（已经更正过BUG的）
资料.rar (475.11 KB, 下载次数: 324)

2022-2-15 15:22 上传

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zhim11

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215913940

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jpdd521

抵制不讲武德，支持楼主

晚风飘飘

厉害，我用笨方法，两个5V电源搭配两个恒流恒压模块加两个电压表，成本10多块

mhtlov

赶快电子负载的项目进入

hidled

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guyehoujue

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开心果1

mhtlov 发表于 2022-2-15 17:00
赶快电子负载的项目进入

电子负载做过了呀，你可以看看我以前发的帖子

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zhim11 发表于 2022-2-15 15:21
支持大佬，速度占位。

多谢支持

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jpdd521 发表于 2022-2-15 15:25
抵制不讲武德，支持楼主

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开心果1

晚风飘飘 发表于 2022-2-15 16:25
厉害，我用笨方法，两个5V电源搭配两个恒流恒压模块加两个电压表，成本10多块 ...

这样太麻烦，我原来是线性电源直接充

开心果1

hidled 发表于 2022-2-15 17:02
支持开心果！

多谢支持！

开心果1

guyehoujue 发表于 2022-2-15 18:05
前排围观大佬

多谢支持

131452038075

支持大佬无私的奉献！

hgmn

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爱你的浦

看的出来，大佬是真的想教会我们

azhen

支持大佬的无私奉献

qlkf

支持大佬的无私奉献，不过我搜到过大佬的咸鱼，在这里我也想说一下，虽然剽窃可耻，但也防不胜防，竟然已经贡献给大家，那就咸鱼上开个价卖好了，独乐了不如众乐乐算了

huqch

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