原標(biāo)題：基于單片機(jī)的鋰電池充電器硬件設(shè)計

引言

隨著智能手機(jī)、平板電腦及各類便攜式設(shè)備的普及，鋰離子電池已成為最主流的可充電電源形式之一。相比于傳統(tǒng)鎳鎘電池，鋰電池具有能量密度高、無記憶效應(yīng)、壽命長等優(yōu)點，在消費電子、工業(yè)控制、無人機(jī)、智能家居等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，鋰電池對充電過程有嚴(yán)格的電壓、電流及溫度要求，必須通過精確的充電策略才能保障電池的安全與壽命。基于單片機(jī)的鋰電池充電器硬件設(shè)計，能夠通過軟件靈活地控制充電過程，實現(xiàn)恒流、恒壓、涓流等多種充電模式的精確切換，并且可以實時監(jiān)測電池的電壓、溫度與充電電流，具備異常保護(hù)能力和故障告警功能。本方案以某款常見單片機(jī)為核心，結(jié)合高精度電流檢測電路、溫度采樣電路、功率轉(zhuǎn)換器件和必要的保護(hù)電路，構(gòu)建一套從硬件部分完整的鋰電池充電器設(shè)計方案。下文將從系統(tǒng)架構(gòu)、各項關(guān)鍵器件的型號及性能參數(shù)、器件作用、選型理由、功能描述、PCB布局建議等方面展開詳細(xì)論述，便于工程師在實際項目中參考與應(yīng)用。

系統(tǒng)設(shè)計概述

本充電器硬件系統(tǒng)總體可分為輸入電源管理模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊、充電管理與控制模塊、檢測與反饋模塊、保護(hù)模塊、用戶指示與通信模塊等幾大部分。首先，通過外部適配器或交流變壓器整流濾波得到直流中間母線電壓（例如12V或19V），輸入電源管理模塊負(fù)責(zé)對供電電源進(jìn)行初級濾波與過壓、過流保護(hù)，為后級功率轉(zhuǎn)換提供穩(wěn)定的輸入。功率轉(zhuǎn)換模塊則采用降壓（Buck）架構(gòu)，將中間母線電壓轉(zhuǎn)換為適合鋰電池充電的恒流/恒壓輸出電壓（例如4.2V標(biāo)準(zhǔn)全充電電壓），并支持在不同充電階段動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電流，滿足鋰電池充電的CC/CV策略。充電管理與控制模塊以單片機(jī)為核心，實時接收電池電壓、電流、溫度等關(guān)鍵信息，通過內(nèi)部算法判斷當(dāng)前充電階段并輸出PWM信號或控制信號給功率轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)恒流階段限流、恒壓階段限壓及涓流充電等功能。此外，檢測與反饋模塊由高精度電流采樣電阻、運(yùn)算放大器/差分放大器、分壓采樣電阻、溫度采樣電阻（NTC）等組成，用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能處理的數(shù)字量。保護(hù)模塊則包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、電池反接保護(hù)、短路保護(hù)等，由硬件電路和軟件邏輯協(xié)同實現(xiàn)。最后，用戶指示與通信模塊通過LED指示燈、LCD或OLED顯示屏、蜂鳴器或外部通信接口（如UART、I2C）向用戶反饋當(dāng)前充電狀態(tài)、故障信息以及充電參數(shù)。各模塊之間通過PCB走線與接插件連接，整體構(gòu)成一套完整的基于單片機(jī)的鋰電池充電器硬件設(shè)計。

單片機(jī)（MCU）選型

在整個充電器系統(tǒng)中，單片機(jī)承擔(dān)著指令執(zhí)行、監(jiān)測與控制邏輯的核心角色，因此選型時應(yīng)重點關(guān)注性能、外設(shè)資源、功耗、價格及開發(fā)生態(tài)等因素。本設(shè)計選用STM32F103C8T6作為主控單片機(jī)。STM32F103C8T6是STM32系列中性能良好且性價比較高的型號，采用32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，最高主頻可達(dá)72MHz，具備如下優(yōu)勢與功能：

• 豐富的外設(shè)資源：該型號帶有3路12位ADC，可同時對電壓、電流、溫度等多個通道進(jìn)行采樣，保證采樣精度與實時性；同時還具備多路PWM輸出，可用于驅(qū)動功率MOSFET的開關(guān)信號；內(nèi)置多路UART、I2C、SPI等通信接口，便于后續(xù)擴(kuò)展與通信功能，例如通過UART與上位機(jī)或外部模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

• 較高的處理能力：72MHz主頻足夠執(zhí)行復(fù)雜的充電算法與故障檢測邏輯，同時能預(yù)留一定的余量以便后續(xù)添加更多智能功能（如通信加密、數(shù)據(jù)記錄、OTA升級等）。

• 低功耗特性：擁有多種省電模式，可在待機(jī)或不充電狀態(tài)下進(jìn)入低功耗模式，減少自身功耗對電池的影響，提升系統(tǒng)整體能效。

• 成本與可獲得性：STM32F103C8T6的市場價格相對低廉，且在各大分銷渠道（如Digikey、Mouser、淘寶電子市場等）均可輕松采購；成熟的開發(fā)板（如“Blue Pill”）也使得樣機(jī)設(shè)計與軟件開發(fā)更加便捷。

• 開發(fā)環(huán)境與生態(tài)：STM32系列具備成熟的開發(fā)生態(tài)，包括ST官方的STM32CubeMX代碼生成工具、HAL庫，以及Keil、IAR、MDK-ARM等商業(yè)編譯器支持。此外，各種開源庫、示例代碼與社區(qū)討論豐富，能夠大幅縮短軟件開發(fā)周期。

綜上所述，STM32F103C8T6在性能、接口、電源管理、價格與生態(tài)等方面具備明顯優(yōu)勢，能夠滿足典型鋰電池充電器所需的采樣、控制、通信及保護(hù)等多種功能需求。

充電管理芯片與功率轉(zhuǎn)換器件選型

在鋰電池充電器中，功率轉(zhuǎn)換器件與充電管理芯片是實現(xiàn)恒流恒壓調(diào)節(jié)的核心部分。為了保證高效率、低功耗與精確可控，本設(shè)計在功能上將充電管理邏輯分為兩種實現(xiàn)方式：一種是使用專用的。單片機(jī)控制的外部開關(guān)電源芯片實現(xiàn)整套CC/CV充電策略；另一種是結(jié)合專用鋰電池充電管理芯片（例如TI公司的BQ24074系列）與單片機(jī)輔助控制。以下分別介紹兩種方案所用主要器件型號、器件作用、選型理由及功能。

1. 方案一：MCU+外部降壓轉(zhuǎn)換芯片（以MP2467為例）

• 型號：選擇 TI 的 INA210 或 ADA4528-2 等高精度低漂移運(yùn)放。

• 器件作用：將電流采樣電阻兩端的微弱電壓差進(jìn)行放大，輸出與 MCU ADC 電壓輸入范圍匹配的信號。

• 選型理由：高共模抑制比，可在高壓環(huán)境下直接對低側(cè)電流采樣；輸入偏置電流低、噪聲低，能保證采樣精度；帶寬足夠滿足開關(guān)頻率采樣要求；內(nèi)置保護(hù)，針腳兼容標(biāo)準(zhǔn)封裝。

• MOSFET 型號：若 MP2467 非集成同步整流，則可選用 IRLZ44N 或 SI2301CDS 等低 RDS(on) 邏輯型 N 溝道 MOSFET。

• 電流采樣電阻：典型采用 0.01Ω、0.005Ω 規(guī)格的貼片或功率電阻（如 Panasonic ERJ-PBJ1E010V）。

• 器件作用：作為降壓轉(zhuǎn)換中的高端開關(guān)、低端開關(guān)，控制開關(guān)頻率下電源的導(dǎo)通與關(guān)閉，配合電感與電容實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

• 選型理由：低導(dǎo)通電阻（RDS(on) 僅幾毫歐），能減少 conduction 損耗；邏輯電平柵極，可直接由 MCU 或 MP2467 驅(qū)動；管殼封裝如 SOT-23 或 SO-8，適用于大功率傳輸；成本低、易采購。

• 器件作用：串聯(lián)在 MOSFET 源極（或負(fù)載端），將電流轉(zhuǎn)換為微小電壓信號，經(jīng)過差分運(yùn)放放大后供 MCU ADC 采樣。

• 選型理由：阻值足夠小，降低系統(tǒng)功耗；溫度系數(shù)低，保證在長時間大電流情況下采樣精度；功率等級如 1W 可承受最大電流；封裝小，方便 PCB 布局。

• 型號說明：MP2467是Monolithic Power Systems（MPS）推出的一款高效率同步降壓轉(zhuǎn)換器，集成了60V/100mΩ低 RDS(on) N溝道 MOSFET，最高工作電流可達(dá)3A，輸出電壓可通過外部分壓電阻設(shè)置，適用于輸入電壓范圍4.5V~60V。

• 器件作用：該芯片作為 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換核心，將中間母線電壓（如12V~19V）轉(zhuǎn)換為可變的恒流/恒壓輸出電壓（通過 MCU 控制 PWM/電感不斷調(diào)整輸出），并通過反饋回路實現(xiàn)精確輸出調(diào)節(jié)。

• 選型理由：

• 功能描述：MP2467 作為降壓轉(zhuǎn)換核心，依賴外部電感（如 4.7μH 降阻電感）、肖特基二極管（若非同步整流版本則需外置肖特基）以及輸入輸出電容，構(gòu)成典型的 Buck 結(jié)構(gòu)。電流檢測方式可以通過在 MOSFET 源極串入小阻值采樣電阻，采樣后獲得整流電流信息，并反饋給 MCU。MCU 根據(jù)采樣數(shù)值計算并輸出 PWM 占空比信號至 MP2467 的反饋引腳，實現(xiàn)精準(zhǔn)的恒流/恒壓控制。常見電感型號如 TDK 的 MLZ2012M4R7M 或商家 LQH3NP4R7MJ0L0L，可滿足 3~4A 的連續(xù)電流需求；輸入陶瓷電容 22μF/50V，輸出陶瓷電容 2×22μF/10V，確保紋波電壓及電流穩(wěn)定。

• MP2467（降壓轉(zhuǎn)換器）

• 外部 MOSFET 驅(qū)動電路及采樣電阻

• 運(yùn)算放大器（差分放大器）

1. 寬輸入電壓范圍：適配各類市面通用的充電適配器，如12V、15V、19V等，滿足不同采購渠道與應(yīng)用場景的適配需求；

2. 高效率與低功耗：內(nèi)置同步整流 MOSFET，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 95% 以上，能夠大幅減少熱量生成，降低對散熱器、風(fēng)扇等外部散熱方案的依賴；

3. 集成度高、PCB占板面積小：芯片內(nèi)部集成了高電壓 MOSFET 與驅(qū)動電路，僅需外圍電感、電容、反饋網(wǎng)絡(luò)等最少外設(shè)即可實現(xiàn)完整降壓轉(zhuǎn)換，減小整機(jī)體積；

4. 可程序化輸出：通過外部反饋電阻與電流采樣阻值，可以讓 MCU 實時調(diào)整目標(biāo)輸出，方便軟件靈活改變恒流值、恒壓值；

5. 過流保護(hù)、熱關(guān)斷等內(nèi)置保護(hù)：當(dāng)負(fù)載短路或過載時，芯片自帶限流保護(hù)，可有效減少故障損壞風(fēng)險。

2. 方案二：專用鋰電池充電管理芯片（以 BQ24074 為例）+MCU 輔助監(jiān)測

• 型號說明：BQ24074 是 TI 推出的一款集成式鋰電池充電管理芯片，支持寬輸入電壓范圍（4.35V~10V），內(nèi)部集成 MOSFET 以及恒流/恒壓充電管理模塊，最高充電電流可達(dá) 2A，同時集成了電池溫度監(jiān)測、電源路徑管理、充滿判斷等功能。

• 器件作用：作為主充電控制核心，實現(xiàn)對鋰電池的 CC（恒流）/CV（恒壓）充電過程控制，無需額外的 MOSFET 驅(qū)動電路，節(jié)省 PCB 面積與設(shè)計復(fù)雜度。芯片內(nèi)部含有溫度補(bǔ)償功能，可通過外接 NTC 溫度采樣電阻自動調(diào)節(jié)充電電流。

• 選型理由：

• 功能描述：BQ24074 是一顆全自動的鋰電池充電管理芯片，輸入端 VIN 接入 5V~9V 直流電源，ISET 引腳外接一個 10kΩ 電流設(shè)置電阻，可設(shè)定最高 2A 的充電電流；VBAT 引腳直接與電池正極相連；通過外部反饋電阻 RPROG 配合內(nèi)部基準(zhǔn)，設(shè)定恒壓閾值為 4.2V（允許 ±0.005V 精度）；STAT1、STAT2 引腳用于 LED 指示當(dāng)前充電狀態(tài)（充電、滿充、錯誤）；VSYS 引腳輸出系統(tǒng)供電電壓，可為外部 MCU 提供穩(wěn)壓輸出；TS 引腳外接 10kΩ NTC（如 NCP18XH103F03RC），用于對電池溫度實時監(jiān)測。當(dāng)溫度處于設(shè)定范圍之外時，芯片會自動折返充電或暫停充電。與 MCU 通信方面，可通過 ADC 采樣 VSYS、VBAT 及外部電流采樣電阻電壓，實現(xiàn)對當(dāng)前充電電流、電池電壓的實時監(jiān)控。軟件層面，MCU 可僅用于補(bǔ)充式控制、顯示與通信，將復(fù)雜的 CC/CV 控制維持在芯片內(nèi)部，實現(xiàn)硬件與軟件協(xié)同，提高設(shè)計可靠性。

• BQ24074（集成式鋰電充電管理芯片）

1. 集成度高：內(nèi)部集成 MOSFET 與判斷邏輯，外圍僅需接入輸入電源、電感、電容、電池及限流電阻，電路設(shè)計簡單；

2. 充電參數(shù)可調(diào)：通過外部電阻即可設(shè)置恒流（ISET），外部電阻與電容配置可設(shè)置恒壓、定閾電壓以及充滿檢測門限；

3. 電池安全保護(hù)：內(nèi)置熱關(guān)斷、電池反接保護(hù)、過流保護(hù)、短路保護(hù)等多種硬件保護(hù)功能，無需額外保護(hù)芯片；

4. 過溫監(jiān)測能力：通過 TS 引腳外接 NTC 可實現(xiàn)溫度補(bǔ)償，每當(dāng)溫度超出安全范圍（0℃~45℃）時，芯片自動進(jìn)入休眠或限流狀態(tài)，避免在極端環(huán)境下對電池造成損害；

5. 開關(guān)模式效率高：內(nèi)部同步整流 MOSFET，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 95% 以上，有效降低熱損耗；

6. 尺寸小、成本適中：采用 WQFN-16 封裝，尺寸緊湊，方便便攜式產(chǎn)品使用，整體 BOM 成本低于自搭開關(guān)電源方案。

電感與電容選型

在方案一（外部 Buck 降壓設(shè)計）中，電感與電容作為能量轉(zhuǎn)換與濾波的關(guān)鍵元件，直接影響轉(zhuǎn)換效率、輸出紋波及系統(tǒng)穩(wěn)定性。選型需考慮額定電流、飽和電流、直流電阻（DCR）、尺寸、成本等多方面指標(biāo)。

• 功率電感

• 推薦型號：

• 器件作用：功率電感配合開關(guān) MOSFET 實現(xiàn)能量存儲與釋放，維持恒流輸出。

• 選型理由：

1. 飽和電流高：4.7μH/最大電流 3~5A，可保證在最大負(fù)載時不會發(fā)生磁飽和，從而避免轉(zhuǎn)換效率驟降；

2. 低直流電阻（DCR）：DCR 數(shù)值低于 30mΩ，可減少線圈損耗，提高整體效率；

3. 封裝尺寸適中：適用于 PCB 空間有限但需散熱性能良好的場合；

4. 電感穩(wěn)定性好：具備低溫漂、低噪音特點，保證在溫度變化與環(huán)境干擾下依舊能維持穩(wěn)定儲能。

1. TDK MLZ2012M4R7M（型號：MLZ2012M4R7M▼；封裝：0805 或 1210）；

2. Coilcraft XEL7030-472MEC（4.7μH，額定電流 3.5A，DCR 約 20mΩ）；

3. Bourns SRP1048（4.7μH，額定電流 5A）。

• 輸入/輸出濾波電容

• 推薦型號：

• 器件作用：輸入電容用于吸收 MOSFET 開關(guān)時的高頻峰值電流，抑制電感尖峰；輸出電容用于平滑輸出電壓，降低紋波，保證對電池的恒壓充電準(zhǔn)確度。

• 選型理由：

1. 低 ESR（等效串聯(lián)電阻）：陶瓷與鉭電容的 ESR 通常低于 10mΩ，可極大地降低內(nèi)阻損耗與輸出紋波；

2. 耐高壓、耐高溫：輸入側(cè)需要承受高達(dá) 19V 的電壓，選擇 50V 以上的 MLCC 能確保安全余量；輸出側(cè) 6.3V10V 鉭電容結(jié)合 1022μF 陶瓷電容，可形成低 ESR 且容值穩(wěn)定的濾波網(wǎng)絡(luò)；

3. 封裝大小與可靠性：0805/1206 陶瓷電容與 A/K 系列鉭電容均具備良好溫度特性與壽命，適合長時間、大電流工作。

1. MLCC 陶瓷電容：如 Murata GRM32DR72A226KA12L（22μF，50V，X5R 材料）；

2. 滌綸薄膜電容：如 KEMET R76F227X9075K2M5（22μF，100V，PET 膜）；

3. 鉭電容：如 AVX TAJ107K006RNJ（10μF，6.3V，C級）。

電流采樣與電壓采樣電路

在鋰電池充電過程中，準(zhǔn)確采樣電流與電壓是實現(xiàn) CC/CV 控制與故障保護(hù)的關(guān)鍵。一旦采樣精度不足，可能導(dǎo)致過充、過流或充電效率下降等問題。采樣電路主要由電流采樣電阻、差分放大器（或運(yùn)算放大器）、電池電壓分壓器等組成。

• 電流采樣電阻

• 型號：松下（Panasonic）高精度低阻值合金電阻 ERJ-PBJ1E005V（阻值 0.005Ω，功率 1W）；或國內(nèi)品牌如厚聲 RCD-0.01R-1W80（0.01Ω）。

• 器件作用：串聯(lián)在 MOSFET 源極或放置在回路負(fù)載端，將流經(jīng)的電流轉(zhuǎn)換為與之成正比的微小電壓降（例如通過 0.01Ω 的電阻，當(dāng)流過 2A 電流時電壓降為 20mV）。該微弱電壓隨后由運(yùn)算放大器放大后送入單片機(jī) ADC 通道。

• 選型理由：

1. 低阻值：0.005Ω~0.01Ω 的阻值在大電流下產(chǎn)生的壓降僅為幾十毫伏，極大降低了系統(tǒng)功耗；

2. 高精度、低溫漂：采用合金材料，溫度系數(shù)極低 (<50ppm/℃)，保證在不同溫度環(huán)境下的測量準(zhǔn)確度；

3. 功率等級：1W 以上功率級別，可承受最高 5A 以上瞬態(tài)電流，不易因過流而燒毀；

4. 封裝形式：常見 2512/2010 封裝，可滿足 PCB 空間要求，也方便散熱設(shè)計。

• 差分放大器（運(yùn)算放大器）

• 型號：INA210（高精度、高共模抑制比電流感測放大器）；或 ADA4528-2（雙路超低偏置電流運(yùn)放）。

• 器件作用：將采樣電阻上的微小壓降（例如 20mV50mV）放大到單片機(jī) ADC 可識別的范圍（03.3V 或 0~5V）。

• 選型理由：

1. 高共模電壓范圍：能夠在高達(dá) 26V（INA210） 的共模電壓環(huán)境下對低側(cè)電流進(jìn)行采樣，無需在降壓芯片輸出后做二次采樣；

2. 高精度、低噪聲：輸入偏置電流低 (<1nA)，輸入失調(diào)電壓低 (<50μV)，保證大范圍電流測量下能維持高精度，并且在開關(guān)信號切換時干擾小；

3. 帶寬滿足需求：帶寬通常在 1MHz 以上，可適應(yīng)開關(guān)頻率為 300kHz~1MHz 的降壓電路對電流快速變化的采樣需求。

4. 封裝與成本：SOT-23-6 或 MSOP-8 等小型封裝，PCB 布局更為靈活，成本適中。

• 電池電壓采樣分壓器

• 分壓電阻：上下游使用兩只 100kΩ 和 47kΩ 精密電阻（1% 精度或更好），如 Vishay MMB0204B1003-FP 及 MMB0204B4702-FP。

• 器件作用：將電池的最高電壓（通常在 3.0V4.3V 之間）通過電阻分壓轉(zhuǎn)換到單片機(jī) ADC 的輸入范圍（03.3V）。

• 選型理由：

1. 高精度電阻 1% 或 0.1%：保證分壓比例穩(wěn)定，采樣誤差小；

2. 大阻值：RIO 比例為 100kΩ∶47kΩ，使分壓后電流極小（<20μA），不影響電池供電，并降低功耗；

3. 封裝穩(wěn)定性：1206 或 0805 封裝，保證在高溫焊接時參數(shù)漂移可控。

溫度檢測元件

鋰電池在充放電過程中溫度變化會顯著影響其性能與安全性。過高或過低溫度均需通過充電邏輯進(jìn)行限流或暫停充電。常用的溫度檢測方案是通過外接 NTC 熱敏電阻與電池緊密接觸，將其阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓或電阻信號供 MCU ADC 采樣。

• NTC 熱敏電阻

• 型號：Murata NCP18XH103F03RC（10kΩ@25℃，B 常數(shù) 3435K）；或 EPCOS B57364V0104J000（10kΩ，B=3380K）。

• 器件作用：貼近電池組內(nèi)部或與保護(hù)板接觸，通過溫度變化使阻值呈負(fù)指數(shù)規(guī)律變化。MCU 采用分壓電路（NTC 與固定電阻串聯(lián)）輸出一個與溫度成反比的電壓值，進(jìn)而計算當(dāng)前電池溫度。

• 選型理由：

1. 熱敏特性穩(wěn)定：B 常數(shù)在 3380K~3435K 之間，線性誤差小，適用于電池箱溫度監(jiān)測；

2. 封裝小巧：0402/0603 封裝，可貼附在電池正極或保護(hù)板上，不會影響電池包內(nèi)部空間；

3. 響應(yīng)速度快：小體積熱容小，能夠以毫秒級別響應(yīng)溫度驟變，結(jié)合軟件算法可快速做出限流或停充決策；

4. 成本低廉：常用 10kΩ 規(guī)格，單顆成本在 0.1 元以內(nèi)，適合批量生產(chǎn)。

• MCU 溫度采樣電路

• 電路結(jié)構(gòu)：將 NTC 與一個 10kΩ 精密固定電阻（1% 誤差）串聯(lián)后，頂端接 3.3V 穩(wěn)壓輸出，下端接地。在中間節(jié)點串入一個 100kΩ-47kΩ 分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，將 NTC 與固定電阻構(gòu)成分壓后，中間節(jié)點的電壓由 ADC 采集，計算溫度。

• 選型理由：分壓網(wǎng)絡(luò)采用高阻值電阻，減少對電池放電的影響；ADC 采樣通道帶有 12 位精度，可將 03.3V 電壓映射到 04095 數(shù)值，結(jié)合 NTC 參數(shù)查表法或 Steinhart-Hart 方程，可實時獲得電池組溫度。

保護(hù)電路設(shè)計

鋰電池充電器在硬件層面需要實現(xiàn)多重保護(hù)，避免因工作異常導(dǎo)致電池?fù)p壞甚至安全事故。保護(hù)功能一般可分為硬件保護(hù)與軟件保護(hù)兩大類，本節(jié)重點介紹硬件保護(hù)部分以及相關(guān)選型理由。

• 輸入側(cè)過壓保護(hù)

• 型號：SMBJ30A（雙向 30V TVS）；或 SMBJ24A（雙向 24V TVS）。

• 器件作用：當(dāng)輸入電壓突變（如市電浪涌、適配器故障）時，TVS 二極管迅速鉗位，保護(hù)后級電路不被過壓擊穿。

• 選型理由：如系統(tǒng)輸入為 12V~19V，則選用工作電壓稍高于常態(tài)值的 TVS（如 SMBJ24A）能夠提供 600W 峰值鉗位功率，鉗位電壓在 26V 左右；若輸入由交流 220V 整流至 30V，則可選用 SMBJ36A 或 SMBJ40A。

• TVS 二極管

• 輸入側(cè)過流保護(hù)

• 型號：PolySwitch RXE075（Hold電流 0.7A~1A）；或 TE Connectivity RXE300（Hold 電流 3A）。

• 器件作用：當(dāng)輸入側(cè)電流超過安全閾值時，PTC 發(fā)熱電阻值急劇上升，限制電流；當(dāng)故障消除后可自動恢復(fù)正常狀態(tài)。

• 選型理由：與傳統(tǒng)熔斷絲相比，PTC 體積小且可多次自恢復(fù)；RXE 系列額定電流精準(zhǔn)，可根據(jù)系統(tǒng)最大輸入電流選取；工作溫度范圍寬，可適應(yīng)-40℃~85℃環(huán)境。

• PTC 熔斷器（自恢復(fù)保險絲）

• 輸出側(cè)過壓/過流/短路保護(hù)

• 型號：Bourns MF-R005（NTC 熱敏電阻，初始 5Ω，用于 Inrush Limit）；

• 器件作用：在電源接通瞬間限制涌入電流，有助于保護(hù)整流橋及開關(guān)電源輸入級；避免大電容瞬態(tài)充電產(chǎn)生大電流沖擊。

• 選型理由：熱敏特性在通電初期電阻高（可達(dá)幾十歐姆），啟動后逐漸降低至 1Ω 以下，可多次使用；封裝符合自動貼裝生產(chǎn)；價格低廉。

• 型號：SS34（3A，40V）；或 SS54（5A，40V）。

• 器件作用：在斷電或外部短路時防止電池放電回流至電源輸入；也可作為續(xù)流二極管，保護(hù)降壓開關(guān)電感。

• 選型理由：低正向壓降（約 0.4V@3A）減少損耗；低溫升特性；封裝為 SMA 方便 PCB 散熱與布局；響應(yīng)速度快，可應(yīng)對高開關(guān)頻率。

• 型號：BSR163N 或 AOZ1284（低 RDS(on) 同步整流 MOSFET）。

• 器件作用：當(dāng)電池被錯誤連接反向時，MOSFET 截止，避免負(fù)極電擊正極造成損害。此外，可在 MOSFET 源極串聯(lián)感測電阻，通過比較檢測電流過大時立即關(guān)斷 MOSFET，實現(xiàn)過流保護(hù)。

• 選型理由：低 RDS(on) 降低功耗；邏輯電平柵極可由 MCU 驅(qū)動；具備鉗位二極管，可對電池反接起到快速阻斷作用。

• MOSFET 反向保護(hù)

• 肖特基二極管

• 限流保護(hù)電阻（NTC）

• 電池過壓保護(hù)（在專用充電芯片方案中由 BQ24074 內(nèi)置）

• 電池過充過放保護(hù)（如果要獨立實現(xiàn)時可選用保護(hù) IC，如 DW01 系列）

• 型號：SEIKO Instruments DW01+k8 AOB27976（兩片式保護(hù)解決方案）。

• 器件作用：在單體鋰離子電池組中，可實現(xiàn)過充、過放、過流、短路等多種保護(hù)；與雙 MOSFET 配合即可實現(xiàn)對電池組的硬件保護(hù)。

• 選型理由：BOM 成本低、使用廣泛、功能完善，對于單節(jié)或兩節(jié)電池應(yīng)用尤為合適；通過 PROG 引腳可設(shè)定過充/過放閾值；封裝小巧，適合體積限制型電子產(chǎn)品。

電源輸入及 EMI 濾波

在交流適配器或直流電源輸入到充電器之前，需要對輸入線路及設(shè)備進(jìn)行初步的 EMI 抑制與濾波，以保證后續(xù)降壓轉(zhuǎn)換器能夠在低干擾環(huán)境下工作，同時符合相關(guān) EMC 標(biāo)準(zhǔn)。

• 共模電感

• 型號：TDK ACT45B-421-2P-4P-C（額定電流 4A，阻抗 45Ω@100MHz）；或 Murata DLW21SDR900SQ2L。

• 器件作用：用于輸入側(cè)抑制共模干擾噪聲，阻止高頻干擾回流到電網(wǎng)，同時減小外部 EMI 影響。

• 選型理由：高飽和電流，低插入損耗；尺寸適配工業(yè)級 PCB；頻率響應(yīng)寬，可抑制廣泛帶寬內(nèi)的噪聲。

• 差模電感/濾波電容

• 型號：Murata GRM21BR61E106KA73（10μF，50V MLCC）；與 TDK ACT45T-2P4E-C（差模電感）。

• 器件作用：差模電感配合 X 電容/Y 電容（420VAC 級電路時使用）共同組成 PI 濾波網(wǎng)絡(luò)，有效抑制輸入端及輸出端的差模、共模干擾，防止高頻噪聲影響周邊電路。

• 選型理由：MLCC 電容對高頻具有良好旁路能力；差模電感能夠減少高頻噪聲電流；滿足 CISPR22 B 類 EMC 要求；元器件溫升低，可靠性高。

接口與用戶指示電路

為了提升充電器的人機(jī)交互體驗，需要設(shè)計 LED 指示電路、LCD（或 OLED）顯示屏接口、按鍵或編碼器輸入接口，提示用戶充電狀態(tài)、電池電壓、電流、故障信息等。

• LED 指示

• 器件選擇：Kingbright WP710A10SRD（紅色 LED）、WP710A10SGC（綠色 LED）。

• 器件作用：STAT 引腳輸出電平，通過限流電阻即可驅(qū)動 LED，用不同顏色或閃爍方式區(qū)分充電中、充滿、故障等狀態(tài)。

• 選型理由：直徑 3mm/5mm，亮度適中，功耗低；透鏡等級分為高亮、中亮，可根據(jù) PCB 空間和電流預(yù)算選定。

• 顯示屏

• 型號：ST7920 驅(qū)動的 128×64 點陣 LCD；或更高檔的 SSD1306 驅(qū)動 0.96 寸 OLED（分辨率 128×64）。

• 器件作用：顯示充電電流、充電電壓、當(dāng)前電池容量百分比、溫度數(shù)值以及故障提示。

• 選型理由：I2C/SPI 接口簡化布線；OLED 對比度高，即使在弱光環(huán)境下也易于識別；LCD 具備更好的穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下仍能保持較長壽命。

• 按鍵/編碼器

• 型號：輕觸按鍵（5×5×1.5mm），或 旋轉(zhuǎn)編碼器（帶按鍵功能，例如 EC11）。

• 器件作用：用戶可通過按鍵或編碼器來設(shè)置充電電流、目標(biāo)電壓，或查看歷史充電數(shù)據(jù)。

• 選型理由：按鍵成本低，按鍵壽命高；編碼器帶按壓開關(guān)，可實現(xiàn)雙重輸入，便于復(fù)雜參數(shù)調(diào)整。

• 通信接口

• 型號：TTL UART 轉(zhuǎn) USB （如 FT232RL） 或者直接使用 MCU 自帶的 USB（需外接 USB 接口與微 USB 接線座）。

• 器件作用：實現(xiàn)與 PC 或移動端 APP 通信，便于遠(yuǎn)程讀取充電數(shù)據(jù)、固件升級或設(shè)置充電策略。

• 選型理由：FT232RL 成熟穩(wěn)定，驅(qū)動兼容性好；直接使用 MCU USB 可減少 BOM 成本與 PCB 空間，但需要額外設(shè)計 USB 接口電路并調(diào)試固件。

PCB 布局與設(shè)計建議

PCB 布局對高功率開關(guān)電源系統(tǒng)尤為重要，不僅影響電磁兼容性（EMC）、散熱效果，還關(guān)系到測量精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性。以下為本方案在 PCB 設(shè)計與布局方面的建議：

1. 分區(qū)明確：將高功率開關(guān)電源區(qū)（降壓 MOSFET、功率電感、電解/陶瓷電容）與單片機(jī)低速數(shù)字邏輯區(qū)（MCU、運(yùn)放、分壓網(wǎng)絡(luò)等）分開布置，避免噪聲相互干擾。

2. 地線布線：采用分層接地方式，高功率地（PGND）與模擬地（AGND）分開布線，通過星型接地點或等長匯流排后在一處集中接地，避免大電流地線回流影響 ADC 采樣精度。

3. 電流采樣位置：將采樣電阻附近的地線和測量地線用細(xì)線或分隔地面層連接，確保測量回路與功率回路的分離，減少雜散阻抗。

4. 電源輸入濾波：在輸入電源入口處首先設(shè)置 EMI 濾波單元，將 EMI 濾波輸出到降壓輸入，同時在濾波后設(shè)置 TVS 和 PTC，增加系統(tǒng)對浪涌和突波的魯棒性。

5. 散熱安排：降壓開關(guān) MOSFET、功率電感等高發(fā)熱器件應(yīng)靠近 PCB 邊緣，結(jié)合散熱鰭片或散熱孔，以便熱量快速散發(fā)；同時在 PCB 底層或中層布置銅鋪，增大散熱面積；若功率密度較大，還可考慮加裝風(fēng)扇或?qū)Ｓ蒙崞鳌?/span>

6. 布線寬度與電流承載：根據(jù)最大充電電流（例如 3A5A），為 MOSFET Drain-Source 回路、功率電感、中間母線和電池輸出回路留足夠?qū)挾龋ㄖ辽?2.5mm3mm 的銅線寬度），并盡量縮短走線長度，降低寄生電感。

7. 開關(guān)節(jié)點隔離：開關(guān)轉(zhuǎn)換節(jié)點（MOSFET Drain / MPSW 等）帶有高頻開關(guān)噪聲，應(yīng)遠(yuǎn)離模擬采樣線路及敏感信號線，避免感應(yīng)干擾；布線時避免走線平行于敏感信號，必要時加地線屏蔽。

8. 布置濾波電容：輸入側(cè)與輸出側(cè)的陶瓷電容盡量貼近降壓芯片的輸入與輸出引腳，減少引線電感，以保證高頻降噪與穩(wěn)定輸出；鉭電容可放置在陶瓷電容旁邊，形成互補(bǔ)濾波，抑制低頻紋波。

9. 信號線走向與過孔：盡量讓高速開關(guān)信號線與地線在單層面完成布線，少用過孔；控制信號與采樣信號（ADC）在走線時不要與高電流走線交叉；信號線過孔盡量減少在 AGND 區(qū)與 PGND 區(qū)之間的穿越，以防止地環(huán)路。

10. 指示與顯示電路：LED 燈、顯示屏與 MCU 接口放置在 PCB 前面板區(qū)域，走線采用屏蔽布線，并在顯示屏附近設(shè)置去耦電容，避免干擾導(dǎo)致顯示閃爍或誤讀。

器件功能總結(jié)

下表簡要匯總了設(shè)計中主要元器件的型號、功能及選型理由，以便對全局架構(gòu)一目了然。

基于單片機(jī)的鋰電池充電器硬件設(shè)計需要綜合考慮電源管理、功率轉(zhuǎn)換、充電策略、檢測與保護(hù)以及人機(jī)交互等多個方面。方案一（MCU+獨立降壓芯片）具備靈活的充電策略實現(xiàn)與較高的可擴(kuò)展性，適合需要多種充電模式或支持更高電流輸出的應(yīng)用場景；方案二（專用鋰電池充電管理芯片+BMCU 監(jiān)測）則具備設(shè)計簡單、成本更低、集成度更高的優(yōu)點，適合體積受限或需快速投產(chǎn)的產(chǎn)品。本設(shè)計中選用的各類元器件（STM32F103C8T6、MP2467、BQ24074、INA210、MLZ2012M4R7M 等）在性能、成本、可獲得性與可靠性方面均經(jīng)過仔細(xì)權(quán)衡，能夠滿足主流消費電子及工業(yè)應(yīng)用需求。通過合理的 PCB 布局與 EMI 抑制設(shè)計，配合完善的硬件與軟件保護(hù)機(jī)制，最終實現(xiàn)對鋰電池電壓、電流、溫度的精確控制，保障電池安全與充電效率。同時，通過 LED、LCD 等指示手段以及 UART/USB 等通信方式，為用戶提供直觀的充電狀態(tài)顯示與高級參數(shù)配置功能。該方案詳細(xì)闡述了每種元器件的型號、作用與選型理由，可作為工程師在實際項目中進(jìn)行設(shè)計時的重要參考和依據(jù)。