移动电源，也叫“外挂电池”“外置电池”“后备电池”“数码充电伴侣”，就是方便携带的大容量随身电源。它是随着数码产品的普及和快速增长而发展起来的，数码产品功能日益多样化，使用也更加频繁，如何提高数码产品的使用时间，持续供电的重要性就越来越凸显了。移动电源，就是针对并解决这一问题的最佳方案。
本文介绍的移动电源具有以下特点
◆输出电路1：USB 5V/3A输出，功率15W。
◆输出电路2：可调0.8～22V输出，内电池供电功率为30W，用外部直插电源供电功率为100W。
◆带均衡电路：带3串电容均衡电路，并且自带外部接口均衡，留有6孔均衡充接口，并且有均衡指示。同时，该接口还是一个多功能接口，平时无电压输出，但插入接口后，自动接通外部电源，可均衡，可输出，还可以输入，并有信号指示，且拥有过压、过流、短路保护。
◆输出电容：MLCC电容全部采用TDK电容，电解电容采用红宝石130℃军工电解电容，该电容耐热性能高，容量不易减小，并且还采用了三洋聚合物固态电容，不会爆浆或燃烧。
◆内部电源：采用3串18650锂离子电池，并且可以换成3块610608的聚合物电池，总输出电压12.6V。
◆4路电压液晶显示：可显示充电电压、电池电压、USB电压、可调电压、USB输出电流、可调电压输出电流以及外部充电电流。
◆静态电流：5μA，开启电压表电流30mA，开启电池端3780为4mA。
◆可为1台笔记本供电，并具有外部电源的UPS模式。
◆3串2600mAh电池，总功率为30W，输出电压为12.6V。
◆监视充电电流及负载电流。
◆尺寸：11cm×6cm×2cm。
移动电源必须具有良好的移动性和通用性。所谓移动性，是指产品能在移动状态下(例如旅游、户外活动，充电器不在身边或不方便充电的情况下)发挥其功用，即在Anywhere(任何地点)、Anytime(任何时间)，不受局限地给数码产品供电或充电。其通用性是指产品能够适合最大范围的数码产品。其实，不仅如此，有的移动电源可以通过USB电缆线使用在任何符合 USB On-the-Go(USB-OTG)的便携型设备上(如 USB 电灯、USB 电热咖啡壶等)。
移动电源应用的普及，让其设计的安全性显得尤为重要。由于一些移动终端厂商的产品设计缺陷，我们多次听到过手机电池爆炸伤人的事件，而造成电池爆炸的主要原因就在于电源管理部分的设计存在缺陷。因此，良好的电源管理设计是移动电源安全性的保障，也是DIY移动电源的设计重点。用18650圆柱锂电池或条状的锂聚合物电池DIY的移动电源，在移动状态中随时随地为多种数码产品提供电能(供电或充电)，这是目前市场比较流行的移动电源方案。
笔者一口气制作了3个移动电源(见图7.1)，逐步改进并完善。第一个电源仅采用单纯的LTC1700升压方式，只能升压到5V，供手机设备供电;第二个移动电源采用双路LTC3780与LTC1700混合模式，可以输出5V的USB电压，还可输出两组独立可调的电压，用来驱动笔记本电脑等高耗电设备，并且还可以带一只移动的24V烙铁，用来紧急时焊接使用;第三个移动电源就是本文要为大家介绍的制作项目，含有一路LTC3780可调电压输出，可用来驱动笔记本电脑，另一路3R33驱动的5V USB电压输出，用MAX745控制充电，采用了电容均衡电路等，是3个DIY移动电源中最为完善的。
图7.1 笔者 DIY的3个移动电源
目前市面上主流的移动电源基本都是单锂电池升压到5V的移动电源，采用的芯片也各式各样，运用的方式也不尽相同。不管怎样的移动电源，都有一个共同的目的，就是把不同电压的电池输出都统一稳定在5V电压上，这要靠高效、安全的电池管理电路，而该电路的核心就是电池管理芯片。所以说，除了电池，移动电源的灵魂就是电池管理芯片，这一点也不为过。
不同升压芯片的工作原理是不一样的，有同步整流的，有肖特基整流的。从效率与可靠性上来看，同步整流的效率可以高达98%，而采用肖特基整流效率一般在90%左右。这类的主要进口芯片有凌利尔特公司的LTC1700、LTC1871、LTC3780，美信公司的MAX1703，德州仪器公司的TPS61030等，国产芯片有PT13001等。我的制作方案采用的升压芯片是LTC3780，我认为这是款性能极为优异的芯片。不过现在凌利尔特有升级型号LTC3789，据说有恒流功能，本人用过几块LTC3789的DEMO板，但感觉没有LTC3780好用，所以放弃了。
手持设备越来越多，功能也越来越复杂，带来的耗电也随之增加，只有5V电压输出往往不够用了，大家更需要的是一种可以输出调节电压的移动电源，既能升压到5V，又能根据需要调节输出不同的电压，如笔记本需要的电压在16～20V。正因如此，笔者才制作了本文介绍的这个电压调节型的移动电源，比市场上单一的5V电源功能强大多了。
常用电池管理芯片特点比对
◆从表7.1中，我们可以从几个方面大概了解各个芯片的特点。
◆表7.1中的数据我再具体解释一下：
(1)加*号的项目因为外围元件变化大，基本不能确定;
(2)干扰主要是指对外辐射的电磁波和输出纹波;
(3)升级空间是指通过换电容、电感、功率管等，能带来很大的性能提升;
(4)效率峰值是指最推荐使用的电流值，在此电流下发热最小，效率最高;
(5)待机模式，跳周期干扰稍大，但是静态小;PWM干扰小，但是静态耗电大;
(6)PWM模式的芯片做成正负电源效果较好，FPM芯片容易负压不稳;
(7)稳定性是指不正常的外部环境(比如电压波动、短路、过流等)对电路造成损坏的可能性;
(8)单管升压的典型电路板有BAU72、BAU89、BL8530等，售价为3～10元，属于玩具级别;
(9)PWM芯片的典型电路板有RT9262、RT9266、PT1301、UC38XX等，售价为23～35元，属于实用级别;
(10)焊接难度等级：低——尖头烙铁+焊锡即可搞定;中——除了烙铁，可能还需要吸锡带、助焊剂等工具;高——烙铁焊接困难，需要工具齐全。
◆表7.1中的芯片都很好，特别是同步整流的，但元器件布局需要非常讲究，否则会有很大待机电流，还有可能会发生自激。在这里面最难布线的是LTC3780，稍不注意就不会成功。
表7.1 常用电池管理芯片特点对比
注：本表格中的数据摘自网络资料
锂电池乃移动电源的动力之源，分成很多种类，有锂离子电池、锂聚合物电池、动力锂电池、磷酸铁锂电池等。移动电源主要采用可充电锂离子电池、锂聚合物电池，一般的手持式设备里也大多用这两类电池，因为它们属于高能量密度的电池，在单位体积内，储存的电量一般比其他电池更大，重量更轻，体积更小。尤其是可充电锂离子电池，它可以提供更高的能量密度(最高达200Wh/kg或300～400Wh/L，分别是Ni/Cd或者Ni/MeH电池的2.5倍和1.5倍)和更高的电池电压(碳阳极电池为4.1V，石墨阳极电池为4.2V)，并具有无记忆效应，自放电率小，有可快速充放电及更高的充放电次数等优点。只要严格控制好锂离子电池的充电参数，就能让我们充分利用电池容量，延长电池寿命。利用锂离子可充电电池，自己DIY出实用的移动电源。
本文介绍的移动电源不光从制作方面入手，我还希望将制作过程中对各个电路及芯片和锂电池安全性方面的设计考虑与大家分享。
锂电池分类
◆按外形分：方形(如常用的手机电池)、柱形(如18650，本文采用)。
◆按外包材料分：铝壳锂电池、钢壳锂电池、软包电池。
◆按正负极材料(添加剂)分：沽酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂电池、一次性二氧化锰锂电池、锂离子LIB、聚合物PLB。
◆按不同的性能、用途分：
一次性：扣式3V锂锰电池;
高容量(高平台)：用在手机等数码产品上;
高倍率：用在电动车和电动工具及飞机模型上;
高温：矿灯、室上灯饰、机器内置后备电源;
低温：室外环境、北方(冬天)、南极。
◆由于单节锂电池的容量往往不能满足一般手持设备的要求，如笔记本电脑之类的，所以就需要多节电池串/并联，以提高移动电源的储存容量。本文介绍的移动电源采用了3节2600mAh的18650电池，总容量为7800mAh，并且还可以把该电池换成3块扁状的锂聚合物电池，体积更小，重量更轻。两种电池如图7.2所示。
图7.2 锂离子电池(左)与锂聚合物电池(右)
1. 充电电路
由于本次移动电源采用的是3节锂电池串联，所以，我选择了美信的MAX745专用充电电路，该电路是锂电池1～4节专用充电IC，该芯片实物与电路如图7.3所示。
MAX745在不需要任何散热材料的条件下，恒定充电电流可达4A，充电电压非常稳定，电池两端最大电压误差只有±0.75%。
MAX745采用双回路稳定充电电压和充电电流，采用精度为1%的普通电阻，单体电池的充电电压可在4.0～4.4V调整。如果改变其11、12脚的连接方式，MAX745充电器可对1～4节锂离子电池充电，充电器总输出电压误差小于±0.75%。MAX745的最高输入电压可达24V，可对最高工作电压为18V的电池组充电。控制器开关频率为300kHz，因此充电器噪声很小，所用外部组件的体积也很小。
图7.3 MAX745 与实物电路
MAX745内部可产生5.4V和4.2V两种基准电压。5.4 V电压除了给该集成电路供电外，还经VL脚给外部电路供电。4.2V为该器件的基准电压，该基准电压通过外接电阻分压器，可给电流误差放大器、电压误差放大器及温度误差放大器提供不同的基准电压，还可经REF脚给外电路供电。图7.4是本制作采用的充电原理图。
图7.4 MAX745 专用充电电路
2. 升压电路
升压芯片采用的是凌特公司的高性能升降压LTC3780，它是一款高性能降压/升压的开关型稳压器，可在输入电压高于、低于或等于输出电压的条件下工作，并且最大转换效率可达98%。恒定频率电流模式架构提供了一个高达400Hz的可锁相频率，可以在4～30V宽输入和输出范围内实现不同工作模式间的无缝切换。所以输入电压无论多少，输出电压都可以保持恒定，图7.5是我所采用的升压电路的原理图，图7.6所示为芯片与实物电路。
图7.5 升压电路原理图
图7.6 LTC3780 升压芯片与实物电路
LTC3780转换板与MAX745充电板设计到了一块印制电路板上，其PCB图如图7.7所示。
图7.7 LTC3780 转换板与 MAX745 充电板 PCB
3. USB 电源电路
USB电源采用的是固定模块3R33，该模块市面上很普遍，价格也很便宜，该模块的主要IC是MPD2307，是款降压型同步整流IC，效率很高，输出5V3A提供给USB插口。电路原理图及模块实物图分别如图7.8、图7.9所示。
图7.8 USB 电源模块电路原理图
图7.9 USB 电源模块 3R33
4. 电压、电流指示电路
为了直观显示充电情况，我设置了电压、电流指示功能，该功能电路采用T26单片机，设计思路是：
■ 利用AVR单片机ATtiny26L四对差分AD做两组VI转换;
■ 利用内部的1倍和20倍差分放大器自动转换来测量电压，提高精度;
■ 每个AD做256个取样平均值;
■ 利用内部EEPROM做校正数据保存。
在对单片机ATtiny26L编程时，要注意，T26默认的系统频率是1MHz，要通过烧T26的熔丝位将系统频率设为8MHz。
T26双路电压、电流表电路的原理图如图7.10所示，实物电路如图7.11所示。
图7.10 双路电压、电流表电路原理图
图7.11 双路电压、电流表电路实物
5. 锂电池保护电路
锂电池保护IC采用精工的S8254，该系列芯片是内置高精度电压检测电路和延迟电路的3节串联或者是4节串联用锂离子可充电池保护IC。本制作所采用的电路如图7.12所示，实物如图7.13所示。
图7.12 锂电池保护电路原理图
图7.13 锂电池保护电路实物
6. 电源 UPS 切换电路
电源UPS切换电路可以实现的功能是：插入交流电后即由外部供电，并切断与主回路电池的供电，可发挥电压转换器的作用，输出0～20V可调，一旦外部电源切断，自动转换为电池供电，并且无电压重叠区。另外，当接入外部电源后，同时给充电电池，充电电流0～3.5A可调。另外，外部电源的充电阀值电压可设置(比如设置在14V，即低于14V，不接通充电回路，只接通升压电路回路)，设置阈值在12～20V。其电路原理图及PCB图如图7.14所示。
图7.14 电源 UPS 切换电路原理图(上)与 PCB 图(下)
7. 电容均衡电路
移动电源的电池组是由多个相同的电芯串、并联组成的，这个过程中最重要的就是电芯的“相同”，但每个电芯是不可能完全一致的，比如内阻、容量、电压、充电放电曲线等都会有偏差，所以在充电或者放电时会有所不同。这些偏差有可能会使电池保护板提前保护，就不能有效地利用每个电芯的能量了。因此，就需要在电池组中加上均衡板。
目前采用得最多的是充电均衡板，主要是在充电过程中，保证每一个电芯在保护范围内都能均衡地充到某个点(满电点)。有一些均衡板还设计了放电均衡功能，确保每个电芯在保护范围内都能放完电量。
简单说，均衡是为了能使电池都能充满、都能放完电量。本文采用的均衡板是电容式均衡板，可在充电与放电时对电池进行均衡，最大均衡电流可达2A。电路原理图、PCB图与实物如图7.15所示。
图7.15 电容式均衡电路原理图及实物
先晒晒我的工具：百得钻头(见图7.16，用来钻孔)、打磨头(见图7.17，用来磨平)。
图7.16 百得钻头
图7.17 打磨头
手工制作过程如下：
01 找到合适的铝盒，刚好能放下各个电路板及其他附件，让电路板、接口与电池都能安装在该铝盒内。我采用的全铝合金外壳(见图7.18)，是在网上购买的现成铝盒，如果向厂家订制，对个人来说，成本太高了。
图7.18 我采用的全铝合金外壳
02 焊好电路板(见图7.19)，并对电路板进行多方面的测试(见图7.20)。把电源接入充电及升压电路板，看充电电流是否达到设计值。本制作设计的充电电流为1.5A，不接负载时，静态电流应该在100μA以下，高于此值则说明有问题。输出电压可调范围应该在0.8～30V，负载电流要求为5A，负载短路时电路要起到保护作用，没有输出。这些都达到要求后，则表示电路板符合要求，可以装入铝盒内使用了。
图7.19 焊好的主电路板
图7.20 测试电路板
03 设置后插座布局。后面的插座需要两个USB口，一个是iPhone专用充电接口，有识别电阻的，另一个为普通的USB供电口，右边为可调输出的电压接口，左边为电容均衡板接口，如图7.21所示。
图7.21 后插座布局
04 设计前挡板，按照铝盒的前端样式画出PCB的轮廓，按轮廓剪切下来，后面我们要在该PCB上进行线路敷设。剪切出的PCB要跟前铝盒挡板一样大小(见图7.22)。
图7.22 设计前挡板
05 将电压表、电流表安装在前挡板上(见图7.23)。
图7.23 将电压表、电流表安装在前挡板上
06 用FeCl3溶液在前挡板上面腐蚀电源 UPS 切换电路的PCB图(见图7.24)，焊接好元器件后如图7.25所示。
图7.24 腐蚀 PCB
图7.25 焊接元器件
07 用电磨在前面板上开孔，开得圆孔后可用小锉刀在横竖方向上锉出一个方孔出来(见图7.26)。
图7.26 在前面板上开一个方孔
08 在测试通过的主电路板后面加上铝散热板(见图7.27)。
图7.27 加上铝散热板
09 将主电路板与电压表头组装成型(见图7.28)。
图7.28 将主电路板与电压表头组装成型
10 用同样的方法，制作出后面板开关电路(见图7.29)，将该电路与保护板安装在电池上，用含纤维的3M专用胶带将其固定(见图7.30)，保证连接可靠。
图7.29 制作后面板开关电路
图7.30 将后面板开关电路和保护板安装在电池上
11 将上述部件都组装到铝合金外壳里，并连接好各回路导线(见图7.31)。安装好的后面板插座(见图7.32)，从左向右依次是：左上充电口，左下均衡口，中间为USB接口，右边为0.8～24V可调电压输出接口。
图7.31 将部件组装到铝合金外壳里
图7.32 后面板插座
12 上电测试，液晶屏上面一行显示电池电压、充电电流，插入外部电源时显示外部输入电压，下面一行显示负载电压、负载电流，如图7.33所示。
图7.33 液晶屏上的显示
13 试着给手机充电，通常手机屏上可以显示充电的状态，说明已经开始在充电了。此时，液晶屏上可以显示当时的外部充电电压和充电电流(见图7.35)。
图7.35 液晶屏显示充电电压和电流
这个移动电源的制作，从选材到成品，耗时3周，笔者从中体验了许多DIY的乐趣，为了提高稳定性，我采用的元件全是正品大厂元器件，目前使用情况良好。如有错误或改进之处，欢迎广大读者批评指正。
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