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3C数码产品

充电宝方案设计开发


充电宝也称移动电源,是一种个人可随身携带,自身能储备电能,主要为小型消费电子产品充电的便携充电器,特别应用在没有外部电源供应的场合。其主要组成部分包括:用作电能存储的电池,稳定输出电压的电路(直流-直流转换器),绝大部分的行动电源带有充电器,用作为内置电池充电。

科技进步、人们的生活越来越依赖各种电子产品,如手机、智能手环、手表等。这些智能产品的普及也使充电宝成为大多数人生活中的必须品。但是、充电宝产品本身有一定的限制,在使用时存在着一些不便。如充电宝充电时电源跟手机连接限制在一定的距离之内,降低了手机携带的方便性。充电宝附属数据线作为一件产品独立出来,增加了携带负担。有必要对充电宝进行设计,改善其携带性与使用性。

一、充电宝的工作原理

移动电源的主要功能就是电能的存储和释放,它的工作过程分为充电和放电两个步骤。首先是电能的存储过程,我们要将电能以5V从输入电路输入,经过降压电路,转换为化学能储存在37V的锂电池中。使用时再将电池中的化学能,经过升压电路转换为5V电压输出,实现了电能的释放。整个过程是以电能的转换和电压的升降为基础,所以根据每个步骤和功能的不同,我们可以将PCB上的电路划分为控制电路(CPU)、升压电路(放电)、降压电路(充电)、保护电路(保护板)四个部分。

充电宝方案设计

二、充电宝的构造部件

现有市场上的充电宝基本上由固定外壳、蓄电电芯、升压系统和充电管理系统所构成。

外壳:塑胶壳(一般充电宝均以ABS/PC料为主)和金属壳(航空铝外壳等)。

充电宝电芯:电芯是充电宝的核心部分,是充电宝的电量储存器,由电池组成。常用的电池有聚合物锂电池、18650锂电池、AAA镍氢电池。

升压系统:升压主流技术基本采用DC-DC的升压方式。国内技术转换效率普遍低,一般在50-70。根据产品转换效率计算出电源输出电量,以5000mAh充电宝为例:实际输出容量=(充电宝容量5000mAhx3.7Vx转化率85%)/5V=3145mAh。

充电管理系统:目前国内充电管理系统比较成熟,智能IC监控整个充电过程。主流管理IC有ZS6366、PX40等。充电时间5000maH电池充电大约8小时。过快充对电池的寿命有不良影响。

三、便携充电宝设计

便携性设计是指携带方便、使用简单的设计。其设计具有可以让用户快速了解设计产品的各种使用信息的特性。根据便携性的设计理念对充电宝进行分析与设计。旨在通过创新满足用户更多的使用需求。在外观上达到简洁的设计特征,功能上实现扩展性,并将便携性的设计特征充分体现在充电宝的设计上。

1、充电宝系统总体设计

便携式充电宝即可以为普通设备充电,同时也可以为电池充电。另外,将数据线与充电宝一体化,并通过数据线的巧妙设计扩展了充电宝的便携功能特性。

2、充电宝功能设定

在充电宝的一面设计了一个手机电池存放空间,备用手机电池可直接放置在内。手机电池放入后,利用内置缓冲弹簧区将电池固定,调节充电弹簧接片与电池正负极相接,即可为备用电池充电。在为电池充电的同时,还可以为其他设备充电。最大程度上提升了充电效率,为用户带来便利。

现有充电宝大多采用本体与数据线分离的模块化的形式。在使用时需将数据线的USB接口插入充电宝的输出端口,再将另一端连接到需要充电的设备上。外出或旅行时,数据线常常被遗忘或丢失,影响充电宝的使用。若将数据线固定在充电宝上,就可以避免这种尴尬的情况。所设计的便携式充电宝将数据线A型公口固定于充电宝的右侧,实现一体化的设计:在右侧设计方形槽口,在槽口的上、中、下三部分设计三个卡口,扁平化数据线通过缠绕在槽口内进行收纳,输出端口卡在卡口上将其固定。当卡在中部卡口时,数据线向外延伸,可以作为提手使用,方便充电宝的携带。

省略外接通用A型公口,将A型公口数据跑线直接连接到充电宝内部。这一设计既减少制造材料的消耗,又避免了数据线丢失。在便于收纳的基础上,增加了“可提式”的附加功能。

深圳充电宝PCBA厂家

3、充电宝的材料选择

充电宝的材料选择对充电宝来说至关重要。充电宝的核心部件为电池芯、IC保护芯片、外壳、充放电端口等。电池芯主要分为普通锂离子电芯和锂聚合物电芯。聚合物电芯和锂离子电芯的有很大的区别。聚合物电芯容量比锂电芯高,且较为安全不会爆炸。从安全角度考量,锂聚合物电芯无疑更加安全可靠。

IC芯片是充电宝重要的核心元件。第一,IC芯片可以检测升压电路系统是否完善,保证升压转换效率(一般转换率不低于80%)。第二,IC芯片能起到过充、过放等负载保护。第三,可以提供智能电量显示,让人们对电量一目了然。

充电宝外壳多为塑料和金属材料。在金属材料中,常用的是铝合金。塑料中,常用的是ABS树脂,ABS树脂具有抗冲击性、耐热性、耐低温性、表面光泽性好等特点,容易涂装、着色,还可以进行表面喷镀金属、电镀等操作。另外,这种材料能很好地保护充电宝里面的电芯和电板,可避免由于用材不当而引起的安全隐患。考虑到成本和便捷性需要,便携式充电宝外壳采用塑料材质中的ABS+PC。ABS+PC材料通过表面喷镀金属、电镀等操作,具有光泽好、比重轻和价格低的优点,产品大多呈现出较为精巧的表面效果,非常符合便携式的设计理念和使用需要。

充放电端口的材料选择采用常用的Mini B型5Pin端口和lightning端口。可以为市场上Android以及Apple设备使用。

4、充电宝的人机考量

在产品设计和使用的过程中,人机因素不可或缺。在设计过程中应充分考虑使用者的感受,从用户的实际需求出发进行设计。便携式充电宝的人机参考需要满足抓握方式中的着力抓握,即手掌和手指需要同时用力。肌力适应性而言,充电宝的厚度应与手机厚度相似。相对于手持手机,充电宝于手部控制部位尺寸中虎口食指叉距不应过大,过大容易引起手部酸累。在保持厚度适宜抓握的同时,设计充电宝长宽比例不可超出手部的可持范围,应尽量使充电宝的重心维持在掌心与手指第一关节区域内。

参考以上人机要求,进行人机实验,最终便携式充电宝采用的尺寸为:长175mm,宽50mm,厚19mm。在避免产生手部酸累的前提下,在充电宝左右侧的上部添加充电端口和数据线安放空间,增大摩擦力,便于抓握。

5、充电宝的外形设计心理分析

好的产品设计要在外观设计过程中渗入了消费者的审美观念。作为随身携带,具有一定功用的电子产品来说,消费者同样注重其外观特性,所以主流厂商在加大电池电源管理技术革新的同时,也在加大符合消费者审美观的产品外观的研发。

色彩是产品审美的重要构成要素,根据色彩理论和配色原理,有目的的色彩配置计划才能够创造出美的、理想的产品色彩效果。市场上的充电宝颜色众多,如流星的银色、金色等。便携式充电宝的设计以白色为主色,白色意为纯粹,象征纯洁、朴素、高雅。作为非彩色的极色,白色与黑色一样,与所有的色彩构成明快的对比调和关系,有很好的视觉传达能力。另外,白色可以和很多颜色进行搭配,符合充电宝辅助其他电子产品运行的角色。同时使用充电宝的场合复杂多样,白色可以更好的配合其他颜色。

便携式充电宝通过对目前普通充电宝进行进一步设计,在功能和使用上均实现了创新:解决了外接数据线的冗长缠绕的问题,将数据线的功能拓展作为提手使用,提升了充电宝的便携性;增加了一个能放置手机电池的空间,给电池充电的同时,也可为其他移动设备充电,提升了工作效率。总体设计充分考虑了人机性能和使用者心理因素,为用户提供了不一样的使用体验。

移动电源控制板开发

四、多功能移动电源方案设计

经过充分的市场调研,发现消费者对移动电源除了充电本身需求以外,对充电宝的其他扩展功能带着更多的期许。根据问卷调查人们希望可以通过充电宝实现数据传输功能,方便数据拷贝等;且希望解决在办公时USB插槽不够用的问题。此外,部分智能设备采用9V、12V或20V等电源适配器,而目前主流充电宝均采用5V电压输出,这显出了目前充电宝通用性不强。因此,基于市场需求,我们设计研究了新型多功能充电宝。能够有效的解决上述问题。

多功能充电宝可以有减少人们出行时数据线、转换接口与转换头的携带。在大数据时代中,多功能充电宝的OTG功能与HUB功能提供了一种稳定、快捷、安全的数据交换方式。多功能充电宝的升压模块增加了充电宝的通用性,可以应急与不同规格电压的电子设备,为人们的生活带来了极大的便利。本设计中的充电宝集多种功能于一体,但在其成本几乎不增加、电容量也未减少的情况下,在原来充电宝的基础上增加了数据交互能力、升压能力、扩槽功能。这些小功能大大减轻了出行的负担,具有很大的推广应用价值和较大的现实经济效益。

五、多功能充电宝功能

该研究在现有充电宝充放电功能上增加附属功能。如OTG功能,方便移动设备之间的数据拷贝和信息交换;同时具有HUB功能,解决工作中常因电脑USB口带来的烦恼;最后还具有可调升压功能,为生活中较大功率的电子设备(电脑等)应急供电。多功能充电宝整个装置由锂电池、LED手电筒、LCD显示屏、开关按键(功能切换键)、HUB模块、OTG电路、可调升压电路、智能管理、双功能数据线构成,如图1所示。

图1 多功能充电宝结构框图

1、充电宝原有功能

本设计中充电宝仍采用性价比高的锂电池。而LCD显示屏除对剩余电量时时显示外,还可以显示当前充电宝所处的状态(OUT-输出,IN-输入,OTG功能,HUB功能)以及USB口输出的电压。保留原有充电宝的照明等功能。

2、充电宝附加功能

OTG功能:OTG主要应用于各种不同的设备或移动设备间的连接,进行数据交换。本设计中OTG功能的实现主要是由智能管理芯片和双功能数据线实现的。若需要读取硬盘等设备,可以使用充电宝额外供电解决功率不够的问题。

HUB功能:上行口通过双功能数据线接PC机等HOST设备,下行口与第一、第二USB接口连接,再连接键盘、鼠标、U盘、打印机等设备。

可调升压功能:本充电宝内含直流可调升压模块,将电芯2.7-4.2V电压转换成为所需要的5V~21V电压给目标设备充电。但是转换的电压差越大,电路的能耗也会相应增大,建议高于10V的电子设备只做应急使用。

3、智能充电管理

充电宝的电路中含有保护电路(过充、过放、高温保护)、升压电路、智能管理芯片,与其他功能模块相配合,增加充电宝的实用性和稳定性。其中智能管理芯片对充放电功能、OTG功能、HUB功能和可调升压功能进行智能管理,根据用户的需要进行功能切换。

4、双功能数据线

与普通数据线不同之处就是在ID引脚与G ND之间多接了一个开关,通过开关的通断,让机器分辨谁是主机、谁是Device。当开关断开时,与普通数据线一样,由外部设备供电;当开关闭合时,相当于OTG数据线,手机芯片检测到ID引脚低电位,手机给U盘等外设供电。

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