项目背景

本项目旨在设计一款基于 USB-C PD 输入 的 3S 18650 锂电池 UPS，支持 5A 大电流充放电。核心方案采用 HUSB238（PD 诱骗）搭配 BQ25798（Buck-Boost 充电管理）。

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1. 供电输入级：USB PD 诱骗 (HUSB238)

系统采用 HUSB238 作为 PD Sink Controller，支持高达 100W 的功率申请，负责与适配器协商电压电流。

1.1 硬件配置 (Resistor Set)

• VSET / ISET：通过外接电阻设置请求的最大电压和电流。
• CC1 / CC2：用于 PD 协议握手与通信。

1.2 协商逻辑 (RDO vs PDO)

HUSB238 内部根据设定的 RDO (Requested Data Object) 与适配器广播的 PDO (Power Data Object) 进行匹配。出厂默认 RDO 通常为 20V / 3.25A。

匹配规则：

1. SOURCE_PDO_VOLTAGE ≤ RDO_VOLTAGE
2. SOURCE_PDO_CURRENT ≥ RDO_CURRENT

案例推演：
假设 RDO 设置为 18V / 1.5A。
适配器广播档位为：20V/2.25A, 15V/3A, 9V/3A, 5V/5A。

• 比对 20V 档：20V < 18V (❌ 电压超标，跳过)
• 比对 15V 档：15V < 18V (✅) 且 3A > 1.5A (✅)
• 结果：握手成功，申请输出 15V。

1.3 I2C 动态控制

• 通信接口：I2C 从机地址 0x08。
• 优先级：I2C 指令 > 硬件电阻 (VSET/ISET) > 出厂默认。
• 工作流程：POR（上电复位）后，芯片自动读取适配器信息并存入寄存器。MCU 可通过 I2C 读取支持的 PDO 列表，并写入指令强制请求特定的电压/电流档位。

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2. 核心管理级：Buck-Boost 充电 (BQ25798)

BQ25798 是核心 VQFN 封装芯片，负责充放电路径管理。

2.1 关键引脚功能解析

引脚	功能描述
ACDRV1	输入保护驱动。控制输入端 N-MOSFET。检测到 OVP/UVP 或反向电流时，立即拉低关闭 MOS。正常导通时 $V_{GS} \approx 5V$（内部 Charge Pump 供电）。
REGN	内部 LDO 输出。为芯片内部电路和 MOS 驱动供电。 当 $V_{BUS} = 15V$ 时，$V_{REGN} = 5V$； 当 $V_{BUS} = 5V$ 时，$V_{REGN} \approx 4.8V$。
PROG	硬件配置。通过电阻设置电池串数和频率。例如 3S 电池配置：10.5kΩ 接地。
ILIM_HIZ	输入限流 & HIZ 模式。 1. 限流计算：$V_{ILIM_HIZ} = 1V + 0.8 \Omega \times I_{LIM}$。 2. HIZ 控制：电压 < 0.75V 时进入高阻态（停止输入）。

2.2 逻辑控制：Ship Mode 与 QON

A. Ship Mode (运输模式)

• 目的：库存期间断开电池，将漏电流降至最低。
• 物理动作：SDRV 拉低 -> 外部 Ship FET (Q21) 关闭 -> 电池物理断开。
• 如何进入：拔掉 VBUS -> I2C 写入 Charger_Control_3 寄存器 EN_SHIPMODE = 1。

B. QON 按键的双重功能

QON 引脚（内部已上拉，外部直连按键对地）是唯一的硬件“复活”接口。

1. **短按 (约 1s)：唤醒 (Wake Up)**。退出 Ship Mode，拉高 SDRV，系统上电。
2. **长按 (约 10s)：硬复位 (System Reset)**。强制关闭 Ship FET 和 BATFET -> SYS 下拉放电 (250ms) -> 自动重启。

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3. 工程计算与选型笔记

3.1 电感选型 (Buck-Boost 核心)

电感必须满足 $I_{SAT}$ (饱和电流) 和 $I_{RMS}$ (温升电流) 的要求。

纹波电流 ($I_{RIPPLE}$) 计算公式：

• Buck 模式 ($V_{BUS} > V_{SYS}$):
  $$I_{RIPPLE} = \frac{V_{SYS} \times (V_{BUS} - V_{SYS})}{V_{BUS} \times f_{SW} \times L}$$

• Boost 模式 ($V_{BUS} < V_{SYS}$):
  $$I_{RIPPLE} = \frac{V_{BUS} \times (V_{SYS} - V_{BUS})}{V_{SYS} \times f_{SW} \times L}$$

选型铁律：

1. **饱和电流 ($I_{SAT}$)：必须 $> I_{PEAK}$ (建议留 20% 余量)。5A 应用推荐 $I_{SAT} \ge 6A$**。饱和会导致电感值归零，瞬间炸管。
2. **直流电阻 (DCR)**：5A 应用建议 $< 20m\Omega$，否则发热严重。
3. 封装：必须全屏蔽，建议 4040 或 5050 封装。

3.2 SYS 输出能力评估 ($I_{SYS_MAX}$)

SYS 口能输出 5A 吗？取决于三个瓶颈（木桶效应）：

1. 输入功率瓶颈 (最常见)：$P_{IN} \times \eta \approx P_{SYS}$
   • 若输入 5V/3A (15W)，SYS (9V) 最大只能出 1.5A。硬拉 5A 会导致 $V_{SYS}$ 跌落并触发电池补给模式。
2. MOSFET 开关限流：芯片内部 High-side MOSFET 峰值限流约 9A~10A，折算直流上限约 **6A+**。
3. 热限制：长期运行建议控制在 5A 以内。

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4. 软件监控：ADC 寄存器映射

BQ25798 内置 ADC，可通过 I2C 实时监控系统状态。

• VBAT (电池电压): REG3B (或 REG35)
• IBAT (电池电流): REG31/REG32 (正=充电，负=放电)
• VSYS (系统电压): REG3D (3S 电池下约为 9V~12.6V)
• VBUS (输入电压): REG35
• IBUS (输入电流): REG33

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5. PCB Layout 黄金法则 (生存指南)

核心目标：5A 充放电不发烫、EMI 不超标、ADC 采样精准。

5.1 核心电容布局 (Top Priority)

规则：VBUS, PMID, SYS 引脚旁的 0.1μF (100nF) 小电容必须 紧贴芯片引脚。

• 严禁在电容和引脚之间打过孔。
• 必须在 Top 层直接连接回路，这直接决定了 EMI 是否炸裂。

5.2 开关节点 (SW1/SW2)

• 采用 “潜伏式” 走线：由于 Top 层被小电容占了，SW 必须打过孔走内层 (L2/L3) 连接电感。
• 注意：铜皮面积够用即可，不要铺太大，避免变成辐射天线。

5.3 大电流路径 (5A+)

• 必须铺铜：VBUS, SYS, BAT 严禁走细线，必须使用多边形铺铜或 >2.5mm 宽线。
• 过孔阵列：换层时必须打 Via Stitching (6~9 个过孔并联)，防止烧断。

5.4 开尔文连接 (Kelvin Connection)

• BATP (检测线) 必须单独走线。
• 使用 10mil 细线，从 电池座子焊盘根部 引出，与 BAT 功率线汇合（Y 字形连接）。
• 一定要远离 SW1/SW2 和电感区域。

5.5 散热设计

• 芯片底部 Thermal Pad 必须完整焊接。
• 必须打 3x3 或 4x4 的散热过孔矩阵通到 Bottom 层，且 Bottom 层需大面积铺地。