Atorch负载用充电器保护与切换板

这件事要从很久以前说起，我想应该是一年多前了，不过它的根源甚至可以追溯到2023年。今天我就来讲讲，这一切最终让我做出了什么。

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这件事其实要追溯到我对DL24EW电子负载的评测。它让我很感兴趣，因为它不只能当电子负载使用，还能控制电池充电——更准确地说，只是接通外部充电器，但这已经很不错了。
当时我测试了随附的切换板，记得我狠狠批评了它，因为压降很大，结果CV阶段也被拖得很长。

后来我拿到了新品，先是CL24，我给两台电子负载各订了一块切换板；之后又有了 BW150，它也能控制充电，不过我没给它订切换板。



准备CL24评测时，我没注意到这块切换板，结果发现新旧版本之间竟然有天壤之别。


先来看第一版电路板的原理图，它是24EW随附的版本。
正如我在评测中所写的，电路非常简单：通过带隔离的DC-DC转换器驱动MOSFET，由它切换充电回路。
防反接保护做得极其简单：一个保险丝加一个二极管，极简主义展现得淋漓尽致。

主要问题是所用MOSFET的导通电阻约为75 mΩ，电流达到10 A时，压降就有0.75 V。
压降会影响充电，尤其是给单节电芯充电时。此外，电流为10 A时，MOSFET上已经要耗散约7.5 W的热量，这实在太多了，所以这块板适用的电流不超过5-7 A。


不过不久前，有位读者联系我，希望我帮忙弄清一台新款电子负载的异常表现。问题是：输入电压为4.2 V、电池电压为3.8 V时，电流会降到约0.35 A。
我一开始甚至没明白问题出在哪儿，但拿到一块一模一样的板子并弄清楚之后，我才发现，之前那块板还没那么糟。


问题在于，第二版电路板上，厂家把防反接二极管串联进了回路……
没错，给单节电芯充电时，当然就会出现那位读者遇到的糟糕情况：你根本不可能用4.2 V的充电器给一节电压为4.2 V的电池充电。


总之，这次求助成了压垮骆驼的最后一根稻草，我决定亲自接手，把问题解决掉。
其实这个问题一年前就已经部分解决了。当时我开始基于DL24EW电路板组装电子负载，只不过用的是我自己设计的切换器。


我设计了两个版本：一个是大尺寸版本，电流可达30-40 A，用于基于24EW的完整电子负载。


另一个是缩小版，采用TO220封装的MOSFET，最大电流为20 A，用在电池测试仪里，比如这款，或者用在基于CL24控制器的电子负载中。原因是这些设备的电流最大只有20 A。


其实我早就想为这一系列电子负载做一款自己的切换器，只是一直拖着没做。后来那位读者来求助，遇到的正是我上面提到的问题，这才成了最后的推动力。
做完这些之后，我坐下来重新设计了电路和PCB，并把它加进下一笔JLCPCB订单里。几周后，成品板就到手了。
总的来说，我确实很喜欢这项服务，推荐大家使用。如果有什么问题，我可以分享自己知道的内容。


首先检查电路板能不能装进原来的位置，结果严丝合缝，不过有个小问题，稍后再说。


下单前，我通常会先做一块测试板，这次也一样，不过还没来得及组装，问题就早早暴露出来了。
问题在于，我最初是按24EW负载设计的，原本一切都会很完美，唯独有一点：它是通过电源线进行通断控制的，地线则始终连通。
而CL24和BW150正好相反，12 V始终接通，断开的是地线。在我看来这不太妥当，因为通常规范的做法是切断电源线，而不动地线。测量分流器也是同样的道理，不过那里的情况更复杂。

我只好再次坐到电脑前，稍微修改了一下电路。最终做出了一个新的通用版本，两种控制方式都能用，不需要任何跳线之类的东西。

顺便说一下，新版本和我最初用的版本还有一个重要区别。第一版电路在极性接错时会阻止功率部分接入；新电路则只有在极性正确时才允许接入。
看起来一样，实际上并非如此。
旧电路采用的是禁止逻辑：发现异常就禁止，其他情况一律允许，即使输入端没有电压也一样。
新电路则要求两个输入端不仅极性正确，还必须有电压，而且电压要高于约1.5–1.8 V，才会允许工作。也就是说，没有电压时，它不会把电池接到充电器上。



现在得看看做出来的效果如何。我拿出元件，把它们焊到电路板上。


做得还算整齐，不过有些地方我已经稍作调整，让使用起来更顺手。


我订了二十来块板，不过先试着组装了两块。布线时，我也尽量让它不只适配Atorch的常见负载，还能满足我自己的需求，也就是用于嵌入式安装。

接线端子和Atorch的一样，也有一个5521插座，可以连接功率较小的充电器。



这里的元件显然比Atorch多。我还加了充电器极性指示灯，无论电路板是否接入负载，它都会亮。
另外，我设计了两种保险丝安装方式：SMD保险丝和普通的25 A汽车保险丝。前者的压降应该更小。

说到保险丝，顺便提一句。严格来说，现在这里已经不太需要它了，它基本只在一种情况下起保护作用：充电器和电池都已接入，负载发出切换信号，也就是电池正在充电，而这时你把充电器的端子短接了。此时切换电路处于导通状态，短路时全部电流都会流过晶体管。电路会尝试关断它们，但不一定来得及，所以如果晶体管击穿，保险丝就应该熔断。其他情况下，保险丝只会碍事，因为它有一定的电阻。




除了接线端子等细节，我还尽量让电路板的风格和Atorch的板子保持一致，连阻焊层的颜色都一样：）


可惜有个地方还是弄错了，好在不是什么致命问题：S和D的丝印标反了（幸好只是丝印）。



正如我之前写的，我加了充电器极性指示灯，大约从2–2.5 V开始发光，电压达到3 V时已经相当亮，最高电压为50 V。


电路板上还有一颗黄色LED，只有满足以下条件时才会亮：
1. 充电器输入端极性正确，且电压高于1.5–1.8 V
2. 电池输入端极性正确，且电压高于1.5–1.8 V
3. 收到控制信号。

也就是说，它指示的是切换电路正在工作，而不只是收到了控制信号。


不过，比较一下原装电路板和我的板子有什么区别，肯定也挺有意思。为此我用RD3060电源和一台基于CL24的负载来测试。顺便说一句，CL24内部也有类似的切换电路。


来测试一下。 电压为12 V，这里控制电路也由它供电；电流分别为1、5和10 A，使用的是Atorch旧版电路板。
左侧是测试模式，中间是晶体管回路上的压降，右侧是保险丝回路上的压降。
总压降分别为0.04、0.2和0.44 V。


第二版Atorch电路板，电流相同，分别为1、5和10 A，不过到10 A时它已经有些吃力了。
总压降为0.36、0.55和0.78 V，真够呛……

有意思的是，按所用晶体管的数据手册，其电阻为75 mΩ，但从测量结果来看，更像是35 mΩ左右。这就让人想问了：这到底是什么晶体管……


现在看看我的基础版电路板，电流还是1、5和10 A，另外还有20 A；测试顺序和测量位置也与之前相同。
总压降为0.015、0.076、0.16和0.346 V。我想不用显微镜也能看出来，20 A时的压降比第一版Atorch电路板在10 A时还小，更不用说第二版了。


第二块电路板做了两处改动：保险丝换成了SMD封装，只装了一颗30 A的，虽然预留的位置可以装两颗15 A的，那样会更好。另外还加宽了功率晶体管之间的走线。

测试电流相同，分别为1、5、10和20 A。
总压降为0.013、0.115、0.14和0.312 V，比第一个版本略低，所以我可能就按这个方案做了。


实际情况稍微差一些。铜箔和晶体管都有正温度系数，也就是说，随着温度升高，电阻会增大，因此热起来之后压降也会更高。我没测试所有电路板，因为变化趋势应该都差不多，就测了最后一块。
电流为20 A，开关回路上的压降从0.232 V升到了0.285 V；保险丝回路上的压降从0.0804 V升到了0.0826 V；总压降从0.312 V增加到0.367 V，但仍然比第一块Atorch电路板在10 A时表现更好。


在这种工作状态下，晶体管的温度至少右边那颗约为110 ℃，当然有点高，所以20 A是长时间工作的上限。保险丝附近的电路板温度约为85 ℃，我估计保险丝本身也接近100 ℃。


如果换上更大的散热器，情况还能有所改善，我可能会试试，也许只换右边那块，因为左边的散热器已经离接线端子很近了，可能会造成干扰。
还有一种办法是强制让电子负载的风扇低速运转，这会很有帮助，同时还能给负载的分流器降温。可惜这种办法不适用于基于DL24EW的电子负载。


正如我之前写的，这个模块与DL24EW、CL24和BW150系列电子负载完全兼容，也兼容所有支持充电控制的新型号。这里说的是电气和机械两方面的兼容性。


接下来聊聊价格，以及我的这个模块比原装模块好在哪里。
先说说区别：
1. 压降。上面我已经展示过，原装模块，尤其是第二版，完全不适合给低电压电芯和电池充电。
2. 防反接保护。我的方案提供的是完整的防反接保护：只要有任何一处极性接错，电路板就不会把充电器接到电池上。
3. 防反向电流。Atorch方案中，电池的电流总会通过场效应晶体管的体二极管流向充电器，这一点无能为力。而我的方案会彻底断开回路，顺带还能防止充电器损坏，尤其是基于线性电源或DC-DC转换器的充电器，也能提高使用安全性。
4. 电流更大。Atorch第一版的最大电流为7～10 A，第二版最大为5 A；我的模块可达20 A，强制散热时可达25 A。
5. 可指示充电器是否连接正确。
6. 开关电压。这一点Atorch占优，因为我的电路板最高可切换50 V，而Atorch我想可以切换到200 V。准确地说，它也能切换100 V，但如果电压超过50 V时你把极性接反，晶体管就会击穿，因为它们的耐压是100 V；发生反接时，充电器电压和电池电压会叠加。


价格方面，预计每个模块售价450 UAH，另附一套安装配件。如果你已经有Atorch开关板，则售价400 UAH；这种情况下不附接线端子和安装配件，因为你已经有了。
是的，不算便宜，但我不是Atorch，没有那么大的产量，也拿不到批发进货价 :(

OLX上的商品链接之后会发布，目前可以发邮件联系我。




今天就写到这里。希望我的小电路板对你们的使用有所帮助，也能让我通过它赚点小钱，继续开发新东西。 也许之后会为Patreon订阅者提供电路图和PCB走线，方便自行制作。
和往常一样，欢迎大家留言和提出建议。