Altium Designer中电池如何正确设计与布局？-电池处理-纽创节能环保科技

下面我将从原理图设计、PCB 设计和设计注意事项三个方面，详细讲解如何在 Altium Designer 中进行电池相关的电路设计。

（图片来源网络，侵删）

原理图设计

在原理图中,电池通常被视为一个独立的电压源，关键在于如何正确地表示它，并管理好其与其他电源网络的关系。

放置电池符号

Altium Designer 提供了多种方式来放置电池符号：

使用电源符号：最简单的方式是使用 Place > Power Port 工具，选择 Battery 符号，放置在原理图上，这种方式最直观，适用于简单的电源指示。
使用元件库：这是更规范、更推荐的方式，许多元件库（如 Miscellaneous Devices.IntLib）中都有标准的电池符号（如 Battery）。
创建自己的元件：如果找不到合适的电池符号，或者需要表示特殊的电池（如可充电的锂电池），可以创建自己的原理图符号。

示例：使用 Miscellaneous Devices.IntLib 中的电池

从库中找到并放置 Battery 符号。
双击符号,在 Properties 面板中设置其网络标号，将其正极网络命名为 BAT+，负极接地（GND）。

电池管理电路（非常重要）

直接将电池连接到电路通常是不可行的,尤其是在使用锂电池等需要严格管理的电池时，你需要设计电池管理电路。

（图片来源网络，侵删）

常见的管理电路包括：

稳压电路：
- LDO (低压差线性稳压器)：用于将电池电压（如 3.7V）稳定到一个较低的电压（如 3.3V），优点是电路简单、噪声低；缺点是效率较低，压差越大，功耗越高。
- DC-DC 转换器：用于升压或降压，效率高，适合大电流或需要宽电压输入范围的场景，一节锂电池（3.0V - 4.2V）需要给 3.3V 系统供电，可以使用一个宽输入的 LDO 或 DC-DC 降压芯片。
充电管理电路：

如果使用可充电电池（如 Li-Po, Li-ion），必须使用专门的充电管理芯片（如 TP4056, BQ24075），这些芯片提供恒流/恒压充电、充电状态指示、过充/过放保护等功能。
（图片来源网络，侵删）
电量检测电路：

对于需要显示剩余电量的应用,需要使用电量计芯片（如 MAX17043, BQ27441）或通过 ADC 采样分压电阻上的电压来估算电量。

原理图示例（锂电池供电系统）：

[锂电池BAT+] ---> [充电管理芯片] ---> [USB 5V输入]
          |
          +-- [LDO 或 DC-DC] ---> [3.3V_VCC] ---> [MCU, 其他电路]
          |
          [BAT-] ---> [GND]

网络标号与电源网络

为电池网络使用清晰的命名,如 BAT+, VBAT, BAT_3V7。
在设计规则中,为这些电池网络设置合适的线宽和间距规则，因为电池的电流路径可能很大。
如果电池是备用电源（主电源断电时自动切换到电池），可以使用二极管或 MOSFET 进行电源切换。

PCB 设计

PCB 设计是电池设计的关键，因为物理布局直接影响电池的性能、安全性和产品的可靠性。

布局

位置：将电池及其管理电路（充电、稳压芯片）放置在 PCB 的边缘或预留有电池仓的位置，这样可以方便用户安装和更换电池。
靠近负载：尽量将电池管理芯片（尤其是 LDO/DC-DC）放置在需要供电的芯片（如 MCU）附近，以减小电源回路的面积，降低噪声和压降。
隔离：电池区域（特别是锂电池）应与发热元件（如处理器、大功率电阻）和高频信号线保持一定距离，以防过热。

布线

电流路径：电池的输出路径（从电池正极 -> 管理芯片 -> 负载 -> 地）需要承载较大的电流，必须根据最大电流计算并使用足够的线宽。
- 线宽计算：可以使用 Altium Designer 的 Tools -> Signal Integrity 或在线线宽计算器来确定，1A 的电流，在温升 10°C 的情况下，可能需要 20-30mil 的线宽。
星形接地：对于模拟和数字混合的电路，电池的 GND 最好采用星形接地，即所有地线最终汇集到一点，避免数字噪声通过地线耦合到模拟电路。
电源平面：如果板子层数足够，为电池管理后的电源（如 3V）创建一个完整的电源平面，这能提供最低的阻抗和最好的电源完整性。

过孔

在电源和地线的转折处,如果需要换层，应放置多个过孔以降低阻抗。
大电流路径的过孔尺寸和数量也需要仔细计算。

焊盘与连接器

电池连接器：选择合适的电池连接器（如 JST-PH, JST-XH, Molex Pico-Blade 等），确保其载流能力与电池匹配。
焊盘尺寸：根据连接器的规格书，精确设置焊盘尺寸，确保焊接牢固，接触良好。
安装孔：如果电池需要用螺丝固定，要设计合适的安装孔和固定结构。

安全与防护（尤其针对锂电池）

保险丝：在电池的输出回路中串联一个保险丝或自恢复保险丝，以防短路或过载。
TVS 二极管：在电池输入端放置 TVS 二极管，防止反接或静电损坏后级电路。
安规距离：确保电池的正负极焊盘/连接器之间有足够的爬电距离和电气间隙，特别是在高电压或潮湿环境下。
警告标识：在丝印层上添加清晰的标识，如 / 极性、BATTERY、LITHIUM ION 等警告信息。

设计注意事项与最佳实践

始终阅读数据手册：这是最重要的原则，无论是电池、充电芯片还是稳压芯片，其数据手册都包含了所有关键的电气特性和应用电路。
考虑功耗：电池的容量是有限的，在设计中，尽量选用低功耗的元器件（如低功耗 MCU），并在软件中实现休眠模式，以最大限度地延长电池续航时间。
热管理：LDO 和充电芯片在工作时会发热，确保它们周围有足够的空间用于散热，必要时可以添加散热铜箔或散热焊盘。
可测试性：在设计中预留测试点，方便在生产测试和维修时测量电池电压、充电电流和系统电压。
物理尺寸与机械结构：在设计初期就与结构工程师沟通，确保电池的尺寸、形状和安装方式与产品的外壳兼容。
文档化：在设计中清晰地标注电池的类型、型号、电压、容量等信息，方便未来的维护和升级。

在 Altium Designer 中设计电池电路，不仅仅是画一个电池符号那么简单，它是一个系统工程，需要从原理图规划、PCB 物理布局到最终的安全与可靠性进行全方位的考虑。

原理图：重点是电池管理（充电、稳压、电量检测）和清晰的网络命名。
PCB：重点是大电流路径的线宽、合理的布局和安全防护（尤其是锂电池）。

遵循以上步骤和原则,你就能设计出稳定、可靠且安全的电池供电电路。

Altium Designer中电池如何正确设计与布局？