MasterDragon

這是本文件的舊版！

---

# 鈉離子行動電源：電路設計與 IC 選擇

## 1. 結論：改採 2S2P

建議將四顆 18650 鈉離子電芯由原先的 1S4P 改為 2S2P：

- 電池包標稱：6.0 V / 2.6 Ah / 15.6 Wh。 - 充電截止：8.00 V，即每串 4.00 V。 - 正常放電截止：4.00 V，即每串 2.00 V。 - 工作電壓範圍：4.0-8.0 V。 - USB-C：單埠雙向 DRP，充電輸入與 PD 輸出共用一個 Type-C。 - 輸出：5 V / 3 A、9 V / 2 A；20 W 僅在電池電壓足夠時短時間開放。

改為 2S 的原因：`BQ25792` 的電池放電調節上限為 5 A。若使用 1S，電池在 2.0 V 時即使不計損耗也只有約 10 W；2S 在低電壓端約 4.0 V，才有接近 18-20 W 的條件。2S2P 還能把主路徑電流由約 11.4 A 降至約 5.7 A。

## 2. 推薦主架構

```text

                       ┌──────────── EEPROM：W25Q16JV
                       │

USB-C J1 ─ ESD/TVS ─ TPS25750D ─ VBUS ─ BQ25792 ─ PACK+/PACK-

 CC1/CC2                PD/DRP          雙向升降壓       │
    │                      │ I2C                        │
    └──────────────────────┘                            │
                                                       │
                  2S2P Na-ion Pack                     │
            C1A∥C1B 串聯 C2A∥C2B                     │
                       │                               │
               BQ76905 + 5mΩ Shunt                    │
            CHG/DSG → 背對背 NFET                     │
            VC0/VC1/VC2、NTC×2、平衡                  │
                       │ I2C                           │
                  STM32G031K8                         │
            初始化/故障/SOC/LED/按鍵                  │

```

## 3. IC 選擇總表

`BQ25792` 是本案最簡單的 EVT 選擇，但其 5 A 電池放電限制代表 9 V/2.22 A 不可能在 4.0 V 包電壓一路維持。建議商品規格定為 18 W 連續、20 W 峰值，或依 SOC 動態降額。

## 4. 電路分區設計

### 4.1 USB-C 與 TPS25750D

接口：

- J1 使用 USB-C 16-pin power-only 母座。 - CC1、CC2 各自直接進 TPS25750D，走線短且避免跨越 SW node。 - CC1/CC2 與必要訊號放置低電容 ESD array；VBUS 入口放 TVS2200 或等級相當元件。 - VBUS 走線及連接器至少按 3 A 連續電流設計；若保留 5 A 能力，連接器、銅厚與保險絲需同步升級並使用 e-marker 線材規則。

TPS25750D 設定：

- Port role：DRP，偏好 Sink；按鍵喚醒時允許 Source。 - Sink PDO：5 V / 3 A、9 V / 2 A；不需要 15 V/20 V，可降低壓力。 - Source PDO：5 V / 3 A、9 V / 2 A。 - 不宣告 12 V；標準 USB PD 固定 PDO 以 5/9/15/20 V 為主。 - I2C master 控制 BQ25792；SPI Flash 儲存 TPS25750 GUI 產生的 binary。 - EEPROM/Flash 必須保留燒錄測試點：SPI_CLK、SPI_MOSI、SPI_MISO、SPI_CS、3V3、GND。

直接以 TI 的 `USB-PD-CHG-EVM-01 / TIDA-050047` 為 TPS25750D 與 BQ25792 的原理圖、去耦、EEPROM 及 layout 起點，不要自行改動 CC/VBUS power-path 的基本架構。

### 4.2 BQ25792 雙向充電器

工作模式：

- 充電時：USB-C VBUS → BQ25792 buck-boost → 2S2P 電池包。 - 放電時：2S2P 電池包 → BQ25792 OTG → USB-C VBUS。 - 不再需要另外的 TPS63070 或 IP5389。

EVT 寄存器起始值：

功率與磁性元件：

- 電感、bootstrap、REGN、PMID/VBUS/SYS/BAT 電容值先完全依 BQ25792 datasheet 與 EVM，不在 EVT 自行縮料。 - 功率電感飽和電流至少高於 datasheet 計算出的峰值並保留 20%-30%；DCR 越低越好，但需兼顧體積與 EMI。 - SW1/SW2 銅箔面積只做到 datasheet 建議，不可任意擴大；電感、輸入/輸出 MLCC 必須貼近 IC。 - BQ25792 thermal pad 下方完整接地散熱 via array，4 層板、外層 2 oz 為優先。

### 4.3 BQ76905 電池保護板

2S2P 接法：

- VC0 接電池總負端 B-。 - VC1 接兩串中點 BM。 - VC2 接電池總正端 B+。 - 未使用的 VC3-VC5 依 BQ76905 2S application 接法處理，不可懸空猜接。 - 每個 VC 輸入使用 datasheet 範圍內的 RC filter；起始可用 100 Ω + 0.1 µF，最終依 EVM/量測修正。 - SRP/SRN 跨接 5 mΩ 四端子 shunt，Kelvin 線獨立拉回，不與主電流銅箔共線。 - CHG、DSG 控制兩顆背對背低側 NFET；PACK- 位於 FET 外側，B- 位於 shunt/電芯側。

保護起始值：

平衡：

- 2S2P 必須監控兩個並聯群的電壓差。 - 首版可使用 BQ76905 host-controlled balancing，平衡電流設定約 20-30 mA。 - 建議只在充電電壓高於每串 3.7 V、壓差超過 20-30 mV 且溫度正常時平衡。 - 平衡只能修正小差異，不能補救不同批次或容量嚴重失配的電芯。

### 4.4 MCU、SOC 與人機介面

STM32G031K8U6 工作：

- 開機初始化並驗證 BQ76905 保護參數；若讀回不符，保持 DSG/CHG 關閉。 - 讀取 cell voltage、pack current、NTC、fault flags 與 accumulated charge。 - SOC 採庫侖計數 + 靜置 OCV 校正；第一版不得用單純線性電壓百分比。 - 低 SOC 降額：pack < 4.8 V 取消 9 V PDO；pack < 4.4 V 限制 5 V/2 A；任一 cell < 2.1 V 正常關機。 - 控制 4 顆 LED、按鍵、長按關機與故障閃碼。 - 記錄最後故障原因、最高溫、循環次數與最低 cell voltage。

MCU 不是唯一安全層；即使 MCU 當機，BQ76905 仍必須能獨立切斷 CHG/DSG FET。

## 5. 電池包實際連接

```text B+ ── [C2A ∥ C2B] ── BM ── [C1A ∥ C1B] ── B- │ │ │ │ VC2 中點 VC1 VC0 │ │ PACK+ ───────── BQ25792 BAT/SYS 5mΩ shunt

                                               │
                                    CHG/DSG back-to-back FET
                                               │
                                            PACK-

```

- 每顆電芯正極串獨立熔斷片或 fusible link。 - 並聯前每顆電壓差小於 10 mV，容量與 DCIR 配對。 - BM 中點一定要引出至 BQ76905，並保留測試點。 - 電池包連接器至少使用 B+、BM、B-、NTC1、NTC2；若保護板與主板分開，I2C/INT 需考慮熱插拔與 ESD。

## 6. 電源與接地規畫

- PGND_PWR：BQ25792、電感、VBUS/BAT bulk capacitors 的高 di/dt 回路。 - BMS_GND/B-：BQ76905 cell sensing 與 shunt Kelvin reference。 - PACK_GND/PACK-：保護 FET 外側，連接系統與 USB 電源回路。 - 數位地與類比量測地只在 IC 建議位置匯合；不得讓 USB 輸出電流流過 VC/SRP/SRN 量測回路。 - CC、I2C、NTC、VCx 遠離 SW1/SW2 與電感；必要時以完整地平面隔離。 - 四層板建議：L1 元件/功率、L2 完整 GND、L3 電源/低速訊號、L4 訊號/散熱。

## 7. 方案限制與替代方案

### 推薦 EVT：BQ25792 整合方案

優點：IC 少、TI 有完整 PD+charger reference design、開發最快。缺點：電池側 5 A 限制，無法在 4.0 V 包電壓持續輸出 20 W。

建議宣告：

- 5 V/3 A：大部分 SOC 可用。 - 9 V/2 A：中高 SOC 可用。 - 低 SOC 自動降為 5 V/2 A。 - 額定 18 W、峰值 20 W；經熱測試後再決定外殼標示。

### 全 SOC 20 W：BQ25731 + 外接 MOSFET

若要求從滿電到截止都維持 9 V/2.22 A，改用 controller 型雙向 buck-boost 與外接 MOSFET，例如 BQ25731，再由 MCU 協調 TPS25750。此方案可提高電池側電流，但元件數、韌體、PCB 面積、EMI 與失效模式明顯增加，不建議作第一塊板。

### 仍堅持 1S4P

保護 IC 可評估 Nisshinbo R5405 系列，因其 OVP 可選 4.000 V、UVP 可選 2.0 V；但 20 W 功率級必須改成外接 MOSFET 的大電流四開關升壓，主路徑需 12 A 以上。此方案不如 2S2P 合理。

## 8. 原理圖頁面切分

1. `P01_USB_C_PD`：USB-C、TPS25750D、ESD、VBUS TVS、SPI Flash。 2. `P02_CHARGER_OTG`：BQ25792、電感、功率電容、BAT/SYS/VBUS power path。 3. `P03_BMS_2S`：BQ76905、VC filter、shunt、CHG/DSG FET、NTC、balancing。 4. `P04_MCU_UI`：STM32G031、SWD、LED、按鍵、I2C level/pull-up、測試點。 5. `P05_CELL_PACK`：2S2P 電芯、熔斷片、連接器、機構與線材註記。

每頁都標出：正常電壓、最大電流、net class、關鍵元件容差、DNP 選項及量測測試點。

## 9. EVT 打板前必做

- 購買 `USB-PD-CHG-EVM-01` 或 TPS25750EVM + BQ25792EVM，先以電子電源模擬 4.0-8.0 V 電池驗證 Source/Sink。 - 購買 BQ76905EVM，以兩通道電池模擬器驗證 4.05 V OVP、2.0 V UVP、OCD/SCD 與 FET 恢復。 - 向電芯廠確認 2S 使用、均衡策略、建議 OVP/UVP hysteresis 及並聯熔斷要求。 - 確認 TPS25750 GUI 可生成與所選 SPI Flash 相容的 image。 - 以 BQ25792 worst-case calculator/EVM 波形確認 9 V/2 A 在 pack 4.0-8.0 V 的可用區間。 - 完成 schematic review、power loss spreadsheet、熱模擬與 PCB current-density review 後才下板。

## 10. 原廠資料

- [TI BQ25792 datasheet](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq25792.pdf) - [TI TPS25750 + BQ25792 技術文章](https://www.ti.com/document-viewer/lit/html/SSZT229) - [TI TIDA-050047 / USB-PD-CHG-EVM-01](https://www.ti.com/tool/TIDA-050047) - [TI BQ76905 datasheet](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76905.pdf) - [TI BQ76905EVM](https://www.ti.com/tool/BQ76905EVM) - [Nisshinbo R5405 1S protector](https://www.nisshinbo-microdevices.co.jp/en/products/lithium-ion-battery-protection/spec/?product=r5405)

本文件提供工程設計起點，不是可直接量產的完整原理圖。所有保護門檻必須由電芯廠確認，並在限流電源、電子負載、防火箱及合格實驗室條件下驗證。