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3C數碼產品

充電寶方案設計開發

2020-03-25

充電寶也稱移動電源,是一種個人可隨身攜帶,自身能儲備電能,主要為小型消費電子產品充電的便攜充電器,特別應用在沒有外部電源供應的場合。其主要組成部分包括:用作電能存儲的電池,穩定輸出電壓的電路(直流-直流轉換器),絕大部分的行動電源帶有充電器,用作為內置電池充電。

科技進步、人們的生活越來越依賴各種電子產品,如手機、智能手環、手表等。這些智能產品的普及也使充電寶成為大多數人生活中的必須品。但是、充電寶產品本身有一定的限制,在使用時存在著一些不便。如充電寶充電時電源跟手機連接限制在一定的距離之內,降低了手機攜帶的方便性。充電寶附屬數據線作為一件產品獨立出來,增加了攜帶負擔。有必要對充電寶進行設計,改善其攜帶性與使用性。

一、充電寶的工作原理

移動電源的主要功能就是電能的存儲和釋放,它的工作過程分為充電和放電兩個步驟。首先是電能的存儲過程,我們要將電能以5V從輸入電路輸入,經過降壓電路,轉換為化學能儲存在37V的鋰電池中。使用時再將電池中的化學能,經過升壓電路轉換為5V電壓輸出,實現了電能的釋放。整個過程是以電能的轉換和電壓的升降為基礎,所以根據每個步驟和功能的不同,我們可以將PCB上的電路劃分為控制電路(CPU)、升壓電路(放電)、降壓電路(充電)、保護電路(保護板)四個部分。

充電寶方案設計

二、充電寶的構造部件

現有市場上的充電寶基本上由固定外殼、蓄電電芯、升壓系統和充電管理系統所構成。

外殼:塑膠殼(一般充電寶均以ABS/PC料為主)和金屬殼(航空鋁外殼等)。

充電寶電芯:電芯是充電寶的核心部分,是充電寶的電量儲存器,由電池組成。常用的電池有聚合物鋰電池、18650鋰電池、AAA鎳氫電池。

升壓系統:升壓主流技術基本采用DC-DC的升壓方式。國內技術轉換效率普遍低,一般在50-70。根據產品轉換效率計算出電源輸出電量,以5000mAh充電寶為例:實際輸出容量=(充電寶容量5000mAhx3.7Vx轉化率85%)/5V=3145mAh。

充電管理系統:目前國內充電管理系統比較成熟,智能IC監控整個充電過程。主流管理IC有ZS6366、PX40等。充電時間5000maH電池充電大約8小時。過快充對電池的壽命有不良影響。

三、便攜充電寶設計

便攜性設計是指攜帶方便、使用簡單的設計。其設計具有可以讓用戶快速了解設計產品的各種使用信息的特性。根據便攜性的設計理念對充電寶進行分析與設計。旨在通過創新滿足用戶更多的使用需求。在外觀上達到簡潔的設計特征,功能上實現擴展性,并將便攜性的設計特征充分體現在充電寶的設計上。

1、充電寶系統總體設計

便攜式充電寶即可以為普通設備充電,同時也可以為電池充電。另外,將數據線與充電寶一體化,并通過數據線的巧妙設計擴展了充電寶的便攜功能特性。

2、充電寶功能設定

在充電寶的一面設計了一個手機電池存放空間,備用手機電池可直接放置在內。手機電池放入后,利用內置緩沖彈簧區將電池固定,調節充電彈簧接片與電池正負極相接,即可為備用電池充電。在為電池充電的同時,還可以為其他設備充電。最大程度上提升了充電效率,為用戶帶來便利。

現有充電寶大多采用本體與數據線分離的模塊化的形式。在使用時需將數據線的USB接口插入充電寶的輸出端口,再將另一端連接到需要充電的設備上。外出或旅行時,數據線常常被遺忘或丟失,影響充電寶的使用。若將數據線固定在充電寶上,就可以避免這種尷尬的情況。所設計的便攜式充電寶將數據線A型公口固定于充電寶的右側,實現一體化的設計:在右側設計方形槽口,在槽口的上、中、下三部分設計三個卡口,扁平化數據線通過纏繞在槽口內進行收納,輸出端口卡在卡口上將其固定。當卡在中部卡口時,數據線向外延伸,可以作為提手使用,方便充電寶的攜帶。

省略外接通用A型公口,將A型公口數據跑線直接連接到充電寶內部。這一設計既減少制造材料的消耗,又避免了數據線丟失。在便于收納的基礎上,增加了“可提式”的附加功能。

深圳充電寶PCBA廠家

3、充電寶的材料選擇

充電寶的材料選擇對充電寶來說至關重要。充電寶的核心部件為電池芯、IC保護芯片、外殼、充放電端口等。電池芯主要分為普通鋰離子電芯和鋰聚合物電芯。聚合物電芯和鋰離子電芯的有很大的區別。聚合物電芯容量比鋰電芯高,且較為安全不會爆炸。從安全角度考量,鋰聚合物電芯無疑更加安全可靠。

IC芯片是充電寶重要的核心元件。第一,IC芯片可以檢測升壓電路系統是否完善,保證升壓轉換效率(一般轉換率不低于80%)。第二,IC芯片能起到過充、過放等負載保護。第三,可以提供智能電量顯示,讓人們對電量一目了然。

充電寶外殼多為塑料和金屬材料。在金屬材料中,常用的是鋁合金。塑料中,常用的是ABS樹脂,ABS樹脂具有抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、表面光澤性好等特點,容易涂裝、著色,還可以進行表面噴鍍金屬、電鍍等操作。另外,這種材料能很好地保護充電寶里面的電芯和電板,可避免由于用材不當而引起的安全隱患。考慮到成本和便捷性需要,便攜式充電寶外殼采用塑料材質中的ABS+PC。ABS+PC材料通過表面噴鍍金屬、電鍍等操作,具有光澤好、比重輕和價格低的優點,產品大多呈現出較為精巧的表面效果,非常符合便攜式的設計理念和使用需要。

充放電端口的材料選擇采用常用的Mini B型5Pin端口和lightning端口。可以為市場上Android以及Apple設備使用。

4、充電寶的人機考量

在產品設計和使用的過程中,人機因素不可或缺。在設計過程中應充分考慮使用者的感受,從用戶的實際需求出發進行設計。便攜式充電寶的人機參考需要滿足抓握方式中的著力抓握,即手掌和手指需要同時用力。肌力適應性而言,充電寶的厚度應與手機厚度相似。相對于手持手機,充電寶于手部控制部位尺寸中虎口食指叉距不應過大,過大容易引起手部酸累。在保持厚度適宜抓握的同時,設計充電寶長寬比例不可超出手部的可持范圍,應盡量使充電寶的重心維持在掌心與手指第一關節區域內。

參考以上人機要求,進行人機實驗,最終便攜式充電寶采用的尺寸為:長175mm,寬50mm,厚19mm。在避免產生手部酸累的前提下,在充電寶左右側的上部添加充電端口和數據線安放空間,增大摩擦力,便于抓握。

5、充電寶的外形設計心理分析

好的產品設計要在外觀設計過程中滲入了消費者的審美觀念。作為隨身攜帶,具有一定功用的電子產品來說,消費者同樣注重其外觀特性,所以主流廠商在加大電池電源管理技術革新的同時,也在加大符合消費者審美觀的產品外觀的研發。

色彩是產品審美的重要構成要素,根據色彩理論和配色原理,有目的的色彩配置計劃才能夠創造出美的、理想的產品色彩效果。市場上的充電寶顏色眾多,如流星的銀色、金色等。便攜式充電寶的設計以白色為主色,白色意為純粹,象征純潔、樸素、高雅。作為非彩色的極色,白色與黑色一樣,與所有的色彩構成明快的對比調和關系,有很好的視覺傳達能力。另外,白色可以和很多顏色進行搭配,符合充電寶輔助其他電子產品運行的角色。同時使用充電寶的場合復雜多樣,白色可以更好的配合其他顏色。

便攜式充電寶通過對目前普通充電寶進行進一步設計,在功能和使用上均實現了創新:解決了外接數據線的冗長纏繞的問題,將數據線的功能拓展作為提手使用,提升了充電寶的便攜性;增加了一個能放置手機電池的空間,給電池充電的同時,也可為其他移動設備充電,提升了工作效率。總體設計充分考慮了人機性能和使用者心理因素,為用戶提供了不一樣的使用體驗。

移動電源控制板開發

四、多功能移動電源方案設計

經過充分的市場調研,發現消費者對移動電源除了充電本身需求以外,對充電寶的其他擴展功能帶著更多的期許。根據問卷調查人們希望可以通過充電寶實現數據傳輸功能,方便數據拷貝等;且希望解決在辦公時USB插槽不夠用的問題。此外,部分智能設備采用9V、12V或20V等電源適配器,而目前主流充電寶均采用5V電壓輸出,這顯出了目前充電寶通用性不強。因此,基于市場需求,我們設計研究了新型多功能充電寶。能夠有效的解決上述問題。

多功能充電寶可以有減少人們出行時數據線、轉換接口與轉換頭的攜帶。在大數據時代中,多功能充電寶的OTG功能與HUB功能提供了一種穩定、快捷、安全的數據交換方式。多功能充電寶的升壓模塊增加了充電寶的通用性,可以應急與不同規格電壓的電子設備,為人們的生活帶來了極大的便利。本設計中的充電寶集多種功能于一體,但在其成本幾乎不增加、電容量也未減少的情況下,在原來充電寶的基礎上增加了數據交互能力、升壓能力、擴槽功能。這些小功能大大減輕了出行的負擔,具有很大的推廣應用價值和較大的現實經濟效益。

五、多功能充電寶功能

該研究在現有充電寶充放電功能上增加附屬功能。如OTG功能,方便移動設備之間的數據拷貝和信息交換;同時具有HUB功能,解決工作中常因電腦USB口帶來的煩惱;最后還具有可調升壓功能,為生活中較大功率的電子設備(電腦等)應急供電。多功能充電寶整個裝置由鋰電池、LED手電筒、LCD顯示屏、開關按鍵(功能切換鍵)、HUB模塊、OTG電路、可調升壓電路、智能管理、雙功能數據線構成,如圖1所示。

圖1 多功能充電寶結構框圖

1、充電寶原有功能

本設計中充電寶仍采用性價比高的鋰電池。而LCD顯示屏除對剩余電量時時顯示外,還可以顯示當前充電寶所處的狀態(OUT-輸出,IN-輸入,OTG功能,HUB功能)以及USB口輸出的電壓。保留原有充電寶的照明等功能。

2、充電寶附加功能

OTG功能:OTG主要應用于各種不同的設備或移動設備間的連接,進行數據交換。本設計中OTG功能的實現主要是由智能管理芯片和雙功能數據線實現的。若需要讀取硬盤等設備,可以使用充電寶額外供電解決功率不夠的問題。

HUB功能:上行口通過雙功能數據線接PC機等HOST設備,下行口與第一、第二USB接口連接,再連接鍵盤、鼠標、U盤、打印機等設備。

可調升壓功能:本充電寶內含直流可調升壓模塊,將電芯2.7-4.2V電壓轉換成為所需要的5V~21V電壓給目標設備充電。但是轉換的電壓差越大,電路的能耗也會相應增大,建議高于10V的電子設備只做應急使用。

3、智能充電管理

充電寶的電路中含有保護電路(過充、過放、高溫保護)、升壓電路、智能管理芯片,與其他功能模塊相配合,增加充電寶的實用性和穩定性。其中智能管理芯片對充放電功能、OTG功能、HUB功能和可調升壓功能進行智能管理,根據用戶的需要進行功能切換。

4、雙功能數據線

與普通數據線不同之處就是在ID引腳與G ND之間多接了一個開關,通過開關的通斷,讓機器分辨誰是主機、誰是Device。當開關斷開時,與普通數據線一樣,由外部設備供電;當開關閉合時,相當于OTG數據線,手機芯片檢測到ID引腳低電位,手機給U盤等外設供電。

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