电子产品世界

本文要点

• 了解多输入智能移动电源的硬件架构，适配太阳能电池、电源适配器、备用电池等多种供电来源

• 掌握智能电源路径管理的作用，为手机及各类 USB 设备提供稳定后备供电

• 对比分层板与单电路板方案的差异，分析二者在效率、设计复杂度及物料成本上的影响

随着便携设备功耗持续提升，移动电源已从单纯的电池模组，升级为具备智能能量管理能力的系统，可提供可靠的后备电力。这类产品不仅要为手机、平板等 USB 设备充电，还需兼容多路输入电源，在复杂工况下完成电池充电管理，并高效、稳定地向外接负载供电。

针对上述需求，项目团队最初采用分层评估板搭建模块化原理样机，完成系统架构验证。但分层方案存在体积偏大、结构复杂、功耗损耗高等问题。后续团队将所有功能整合，推出一体化单电路板方案，把全部电源管理功能集成在一块电路板上，体积更小，更具备商业化落地条件。

该一体化设计可接入太阳能板、锂离子电池、直流适配器等多种电源，并依靠智能电源路径管理，在负载与电池之间自动调配电力，全程保障输出性能。本文将梳理产品从多板样机到单板成品的迭代过程，详解系统架构、核心设计要点，以及集成化设计带来的性能提升。

智能移动电源硬件架构

本方案采用精简架构，支持太阳能板、交直流适配器两路宽压输入。系统依托LTC4416 电源路径控制器搭配LTC4162 电源路径降压充电器实现智能供电管理，可对最高 4 串 1 并（4S1P）的锂离子电池组高效充电。

系统搭载LTC3115-1 升降压开关稳压器，动态调节负载端输出电压，稳定输出 5V/2A；同时由 LTC4162 实时监测电池电量。

1.单板智能移动电源的框图。

智能移动电源的三个主要部分均经过选择，以提高系统效率，最小化功率损耗，减少PCB布局面积，并降低整体成本。完整原理图如图2所示。

2.单板移动电源设计。

双路输入电源切换

实现双路电源切换，常规可采用或门电路。但该方案会产生较大功耗损耗：电路依靠二极管导通，即便是低压降肖特基二极管，也依然存在固有正向压降。

改用LTC4416可解决这一问题，它能在两路电源间无缝切换，导通压降极低，有效降低功率损耗。

该芯片通过驱动外接 P 沟道 MOS 管模拟理想二极管特性，大幅削减导通损耗，提升整机效率与工作可靠性。根据芯片手册说明，LTC4416 共有六种工作模式，由引脚 E1、E2 的配置方式决定。

本设计选用V1 优先级高于 V2模式：E1 设为检测模式，E2 接地。电路默认优先选用 V1 供电。

其中 V1 为主路输入，直流电压范围15~35V；V2 为太阳能板辅助输入，电压范围3.6~15V。

当 V1 电压≥15V 时，E1 引脚使能主路 V1，同时切断辅助路 V2。

当 V1 电压跌落至13.4V时，系统切换为 V2 为主供电、断开 V1 输出。只要太阳能板输出电压维持在 3.6~15V 区间，V2 将持续为负载供电，直至 V1 电压回升至15V（恢复阈值，详见图 2）。

可通过调整图 2 中电阻 R1、R2、R3 的阻值，并结合芯片手册给出的计算公式，自定义 V1 的掉电阈值与恢复阈值。

确定 V1 为主供电回路后，系统会配合适配 V2，实现最优工作状态。只要 V1 电压高于 V2，一旦 V1 断电或异常，系统就会自动切至 V2 持续供电，直到 V1 电压恢复至阈值。由于输出端默认选择电压更高的电源，若 V2 电压始终大于 V1，系统便不会切回 V1。

智能电源路径管理

对于移动电源这类需要电池同时放电、充电的设备，电源路径充电架构是理想方案。该架构可智能分配系统与电池之间的电能，有效延长电池续航时长与整体使用寿命。

本系统可在三类电源间智能切换：交直流适配器、太阳能板、备用电池。正常工况下，适配器或太阳能板主要为电池充电。

若适配器停止供电，且太阳能板输出电压低于下限，系统会自动切换至已充满的备用电池，为负载持续供电。

LTC4416 输出接入 LTC4162-L，该芯片最大支持 35V 输入电压。即便电池亏电或未接入，LTC4162-L 也可正常工作；芯片还集成最大功率点跟踪（MPPT）功能，提升太阳能的光电转换效率。

光照充足时，太阳能板分为两种工作状态：恒压低阻抗区、恒流高阻抗区。在低阻抗高压区间，芯片控制环路可稳定运行。

但该芯片依靠输入电压追踪最大功率点，当太阳能板工作在高阻抗低压区间时，输出电压会随之下降，进而导致控制环路失稳。本设计中，太阳能板输入常态处于12V 以下的高阻抗区间。

为此，电路增设图 2 所示的 RC 网络（R4、C1），用于校正控制环路的不稳定性，尤其适用于多云、光照强度波动的场景。针对小功率太阳能板，建议将电容 C1 取值设为 100~1000 微法，保障 MPPT 功能稳定运行。

备用锂离子电池单元

LTC4162 系列充电器最高支持8 串（8S）锂离子电池，并针对不同电芯类型推出多款型号：LTC4162-L 适配三元锂电池，LTC4162-F 适配磷酸铁锂电池，LTC4162-S 适配铅酸电池。如表格 1 所示，本设计最高支持4 串（4S）锂电池组，兼容 1~4 串电芯配置。

该电池串数配置通过CELLS1与CELLS0引脚实现，具体逻辑参照表 1 定义。

开关稳压器

LTC4162-L 的输出后端由同步升降压开关稳压器做电压调节。LTC3115-1 是一款高集成同步升降压 DC-DC 转换器，具备高效率、低噪声特性，专为宽输入电压场景设计。

该器件输入电压范围为 2.7V~40V，可持续输出最大 2A 电流；支持输出电压可编程、升降压模式无缝切换，并配备完善的保护电路，完全满足工业级电池供电设备的使用要求。

凭借高效率与低噪声优势，LTC3115-1 适配本款智能移动电源。当输入电压大于 6V 时，可满负载输出 2A；输入电压高于 3.6V 时，输出电流可达 1A，能适配各类复杂供电工况。针对 1~4 串电池组，电路通过图 2 中的接口 J5 统一配置欠压锁定（UVLO）功能。

USB Type‑C 输出

输出端采用非 PD（功率传输）模式的 USB Type‑C 接口，可稳定输出 5V 电压、最大 2A 电流，为各类便携设备供电。表 2 列出了 USB 端口不同输出电流对应的电阻配置参数。

一体化移动电源的性能提升要点

本产品采用四层印制电路板（PCB）设计，保障设备低噪声、高效率运行（见图 3）。电路板叠层结构为信号 / 电源层 — 地层 — 地层 — 信号 / 电源层，元器件布局严格遵循各芯片手册中的设计规范。

3.单板方案实物布局

电路板设有两路供电输入端 V1、V2，既可给电池充电，也能直接为负载供电。主路电源断开时，若光照充足，太阳能板会接替供电，在带动负载的同时为电池补电；到了夜间或光照变弱、太阳能板输出电压下降时，系统会自动切换至电池供电，保障负载持续工作。

以单串（1S）电池配置为例，当电池电压低于 3.3V 时，LTC3115-1 会触发欠压锁定功能并自动停机，避免电池深度放电，防止电芯损坏、缩短使用寿命。

针对不同串数的电池，可通过调整电阻 R7、R19、R27、R21 的阻值，精细设置欠压锁定阈值。根据应用需求，该电压下限最低可设至 3.0V。

电路搭配二极管 D3 与保险丝 FUSE1 实现防反接保护，避免电池正负极接错造成故障。此外，MOS 管 Q1、Q4、Q3 的体二极管可进一步抵御输入反向电压，阻断异常电流。

图 4 展示了系统在不同负载下的动态特性，包含阶跃响应与瞬态响应曲线，同时验证了全工况下控制环路的运行状态，以及补偿网络的校正效果。

4.阶跃响应与瞬态响应分析

图 5 展示了 LTC4416 输出端的优先级切换特性：当 V1 电压从高值逐步降至 15V 过程中，芯片会在 V1 电压跌至 8V 时平稳切换至 V2 供电，负载输出不受电压切换影响。V1 的电压恢复阈值设定为 16.8V。

5.LTC4416 优先级切换测试：V1（15V）切至 V2（8V），输出负载电压恒定（输出电压 5V、负载电流 1A；电路参数 R1=281 千欧，R3=24.9 千欧）

分层演示板与单板方案对比

本节对多板原型样机与全新一体化单板方案进行详细对比。原型样机由三块独立演示板组成：LTC4416 板实现理想二极管式电源路径控制、LTC4162-L 板负责电池充电与电源管理、CN0509 板作为 USB 充电单元。

CN0509 的优势为输入电压范围5~100V，可稳定输出 5V 电压、最大 2A 电流。该板集成 LTC7103 降压转换器与 LT8302 器件，实现输入、输出端电气隔离。

反观新版单板方案，使用单颗LTC3115-1替代原有 LTC7103 与 LT8302，整合全部功能。此举旨在提升整体效率、缩小体积并降低物料清单（BOM）成本。该设计舍弃了电气隔离等部分功能，换来更实用的架构，可在不显著增加复杂度的前提下实现量产拓展。

采用单板方案后，整机设计大幅简化：物料数量减少约 30%，体积同步缩减（见图 6），系统整体复杂度显著降低。多功能集成于单块电路板，空间利用率与可扩展性更强，在不损失性能的前提下实现小型化，对于移动设备这类空间受限的应用场景尤为重要。

6.分层演示样机与单板方案尺寸对比

全集成智能移动电源：节能且小型化

该单板方案最核心的提升之一就是工作效率大幅提高。经过优化的电能传输路径减少了能量损耗，进而延长设备续航时间，同时改善散热表现。

单板设计有效降低功耗损耗，整机性能得到显著提升。如图 7 所示，输入电压为 8V 时，整机峰值效率可达92.94%；输入电压为 10V 时，效率为91%、

7.单板方案与分层板方案的输出电流稳压能力及效率对比

对比来看，分层演示样机在输入电压 10V 工况下，峰值效率仅为73.79%。分层方案效率偏低，主要原因在于板间连接线以及反激变换电路产生额外能量损耗。

当两路外部输入电源均失效时，设备会自动由电池为负载供电。采用标称电压 7.4V 的2 串（2S）电池组供电时，单板方案峰值效率可达94.5%，而分层样机仅为77.1%。由此可见，单板架构能更高效地利用电池电能，相关数据详见图 7。

此外，单板方案在输入电压 6V 时即可输出满额 2A 电流，而原有分层样机需要输入电压达到 12V 才能实现 2A 满载输出。

这款智能移动电源的单板架构兼具体积小巧、转换效率高、适配性强等特点，可广泛应用于各类电池供电设备。其搭载的智能电源路径管理功能，还能有效延长电池使用寿命。该设计方案可落地于车载嵌入式系统，实现光伏输入、多路供电与备用电池的集成，具备大规模量产条件。

关键词： 光伏输入 智能移动电源