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鈉離子行動電源：電路設計與 IC 選擇

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

                         ┌──────────── 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

功能	首選 IC	選擇理由	備選
USB-C PD/DRP	TPS25750D	單埠 Source/Sink、可直接控制 BQ25792、GUI 設定、內建電源路徑 FET	TPS25751；若改全 MCU 控制可評估 STUSB1602 + PD MCU
雙向充電/OTG	BQ25792	1-4S、3.6-24 V 輸入、5 A、充電電壓 3-18.8 V/10 mV step、OTG 2.8-22 V	BQ25798；全功率 20 W 到截止點可改 BQ25731 + 外接 FET
2S 保護/量測	BQ76905	2-5S、可設定 OV/UV/OCD/SCD/溫度、16-bit ADC、庫侖計、低側 FET driver	MAX1666S（舊料、功能較少）
系統 MCU	STM32G031K8U6	低功耗、I2C、ADC、足夠 GPIO、QFN32、韌體與工具成熟	STM32C011F6、MSPM0L1105
設定 EEPROM	W25Q16JVUXIQ	TPS25750 常用 SPI Flash 類型，容量充裕	依 TPS25750 GUI/EVM 核准清單選料
保護 MOSFET	CSD17577Q5A ×2	30 V N-FET、低 RDS(on)、適合低側背對背保護	同級 30 V、VGS=4.5 V 有保證之 PowerPAK/SO-8 FET
USB ESD	TPD4E05U06	可保護 CC/SBU/USB 低壓訊號	TPD4EUSB30
VBUS TVS	TVS2200	TI 參考設計採用的 22 V flat-clamp TVS	依 PD 最大 VBUS 與浪湧規格重選
電流取樣	5 mΩ、1%、2 W 四端子分流器	6 A 約 30 mV/0.18 W，20 A 短路約 100 mV	3 mΩ；需重新設定保護門檻
NTC	10 kΩ/B3435 ×2	一顆貼電芯中心、一顆貼 BQ25792/電感附近	依 BQ76905/BQ25792 計算工具選值

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：

參數	起始設定	備註
CELL count	2S	POR 後立即確認
Charge voltage	8.000 V	每串 4.000 V
Charge current	2.600 A	每並聯支路約 1.3 A，即每顆約 0.5C
Pre-charge current	0.260 A	包電壓過低時使用
Termination current	0.120-0.160 A	受 IC 40 mA step 限制；以循環測試校正
Recharge threshold	7.80 V 起始	避免長時間頂在 8.0 V
OTG 5 V limit	3.00 A	15 W
OTG 9 V limit	2.00 A	18 W
IBAT discharge regulation	5.0 A max	低 SOC 時由 MCU/PD 降額
Safety timer	先啟用	時間依 2.6 Ah/2.6 A 加 CV 尾段設定
TS cold	0°C 禁充	不採規格書的負溫小電流充電作為第一版
TS hot	45°C 停充	35°C 起降額

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：

保護	設定	延遲/恢復建議
Cell OVP	4.050 V	1 s；降至 3.95 V 以下恢復充電
Cell UVP	2.000 V	1 s；接上充電器後恢復
Charge OCD	3.5 A	50-100 ms
Discharge OCD1	7 A	100 ms，對應 35 mV shunt
Discharge OCD2	10 A	10-20 ms，對應 50 mV shunt
SCD	20 A	200-400 µs，對應 100 mV shunt
Charge UT	0°C	禁止充電
Charge OT	45°C	35°C 起由 MCU 將充電降至 1.3 A
Discharge OT	60°C	55°C 起停止 9 V、只保留 5 V 低功率
Cell imbalance	50 mV	靜置或充電後段記錄故障/啟動平衡

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

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

P01_USB_C_PD：USB-C、TPS25750D、ESD、VBUS TVS、SPI Flash。
P02_CHARGER_OTG：BQ25792、電感、功率電容、BAT/SYS/VBUS power path。
P03_BMS_2S：BQ76905、VC filter、shunt、CHG/DSG FET、NTC、balancing。
P04_MCU_UI：STM32G031、SWD、LED、按鍵、I2C level/pull-up、測試點。
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

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。