改造3.7V锂电池升压模块（升压芯片丝印B628）实现空耗≤1μA

微醉 · 发表于 2023-11-15 22:02:20

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本帖最后由微醉于 2023-11-16 11:02 编辑

改造3.7V锂电池升压模块（升压芯片丝印B628）实现空耗≤1μA，老数字万用表继续服役

　　一、背景

　　偶尔找出久压箱底的老数字万用表DT9208来用，发现9V电池早没电了，之前还装了个外接电源插座，用个9V的古老手机电源对付着用，拖着个线总觉得不便。

　　前几天手里一直用着的那个MF368的指针表2个5号电池又湿身把电池仓触点整绿了，就想着还是整个锂电是不是要省心点，就算饿死一般也不会漏液吧。闲鱼0.5元一节14500带线锂电10元包邮要了10个来，说是500mAH的，充放了一下大概200～300mAH的样子，5号电池那么大的样子。

　　把MF368的指针表里一个5号电池位直接在串了个二极管，另一个电池位装上个14500，电池电压在3～4.2V时去除二极管压降后2.4～3.5V，这个表电阻档的调零正好能够。

　　这是题外话。
　　剩下的一堆14500扔着也没啥用呀，就想着升压试试把手里用得着9V的表也改改。网上翻翻整个9V的锂电还不便宜，而且看评价充一次电搁不多久，应该是升压电路自耗造成的。这表平时用得不多，要是老去折腾电池也烦人，能不能整个自耗小点的升压方案，至少也能待机个年把时间啥的。本来想着就用之前的老办法弄个小磁环找几个三极管搭个自激振荡电路似乎最简单，但发现一是效率都不高，在指标表用用×10K电阻挡负载也就几十个微安，平时也处于物理关断倒没问题，数字表得几十个mA，电池输出基本就得几百mA，而且充电总不能老打开后盖取出来，最好还得内置上充电电路。这样想还不如整个带充电的锂电池升压模块省老事了。一翻手头倒是有2块。

　　二、结合升压模块介绍进行改造可行性分析

　　这种模块网上遍地，4056+MT3608方案充电升压一体，充电输入5V1A、充电截止电压4.2V，如果不用锂电池也可外接2V～24V作为供电电源，升压输出可调2.5V～28V，据说最大输出电流可达2A，效率最高可达96%。看参数倒是挺合适，自耗对其他场合来说也是算很低的，空载在几百个μA吧。但这个空耗对一个几百个mAH的锂电池来说个把月也差不多要充电了，极限算最多也就几个月、半年就耗尽了。不知能不能改到理想的空耗。先来看看这个模块的基本情况：

　　找了下当初购买的产品描述：

　　为避嫌把图上店标和水印虚了一下。

　　模块尺寸、背面图、细节图干脆也贴过来，省得我自己整了：

　　1.充电芯片为TC4056A，这不是本主题的主要内容，不去研究，这个芯片是最常用的锂电充电专用芯片，资料满天。这里只讲一下后面要换掉的充电电流设定电阻，TC4056A②脚对地所接电阻为充电电流设定电阻，资料中称为Rprog，其阻值与充电流关系如下表：

RPROG（㏀）	充电电流（mA）	RPROG（㏀）	充电电流（mA）
30	50	2	580
20	70	1.66	690
10	130	1.5	780
5	250	1.33	900
4	300	1.2	1000
3	400

　　原模块是1.2K电阻，所以对应充电电流是1A。后面根据使用锂电池容量，按0.37C左右的充电电流换相应的电阻。

　　2.升压芯片是丝印为B6282n的6引脚SOT23电流模式升压转换器，也就是所谓的B628芯片，芯片对应型号有不少，HX3608、MT3608、PL2628、SB6286等都是，对应引脚和参数也大同小异。我把HX3608的中文规格书贴出：

　　研究规格书是为了分析说明几个涉及到我下一步改造的关键参数。

　　（1）输出电压调整
　　从资料看该芯片③脚为输出电压采样输入端，基准电压为0.6V，输出电压通过R1（上拉电阻）、R2（下拉电阻）分压后接入该引脚进行误差比较和放大。输出电压和采样电阻的关系及计算公式规格书中第4页已列出。手中这个升压模块R1就是输出电压正极焊盘与续流二极管中间的那个100K电阻，R2则是由续流二极管右侧的2.2K电阻和9.1K微形电位器串联组成。调整电位器就可改变输出电压值，从模块上阻值计算得出电位器为0时其理论最高输出电压为（100K+2.2K）÷2.2K×0.6V=27.87V；电位器为最大9.1K时理论最小输出电压为（100K+2.2K+9.1K）÷（2.2K+9.1K）×0.6V=7.38V，这貌似与产品描述的4.3V出入不小。

　　不管它，这不是我关心的，引起我兴趣的是芯片③脚采样输入电流IFB。咦，HX3608的中文规格书中怎么没看到这个参数啊？PL2628等其它英文的规格书中都有这个参数呀，规格书我就不重新贴别的了，反正就是说这个电流典型值是10nA，最多也就是50nA。也就是说采样电阻可以换成㏁级电阻，换大阻值采样电阻的意义在于当空载时除芯片静态电流外，采样电阻流过的电流就成为空耗的一个重要成分，现在模块中的采样电阻100K加上输出9V时下拉电阻值约7K，空耗电流为I采样=9V÷（100K+7K）=84μA，这个电流值折算到输入端电压按3.7V、效率即使100%也要达到0.2mA了。这对正常工作使用时不算个事，但不接负载闲着时24小时不间断这么耗着就不是我想要的了，所以该芯片参数看这是有很大改造余地的，至少可降低一个数量级。

　　（2）使能控制（芯片关断）
　　该芯片④脚为EN端，即芯片工作关断开关，该端电压≤0.5V（其他代换芯片也有0.4V的，反正就是低电位）时芯片关闭输出，而关断时参数显示芯片空耗电流最大值为1μA（典型值为0.1μA）。这几乎就跟电池物理关断差不多了，得小小激动一下，如果我能实现输出无负载时芯片自动关断，那就很可能实现我当初的改造梦想了。而且芯片的关断将使输出电压也消失（或降低），那么取样电阻的空耗也随之减小。

　　脑中闪过各种负载检测开关控制电路，不现实呀，这手术复杂不说，多出来的电路也需要耗能呀。难道又是空想难成真？？？随手翻翻原来指针万用表改1.5V升压代替高压电池的几个简易电路，有用一个三极管直接作为负载通断控制电池开关的电路，大概原理图是这样的：

　　当初其实试了一下效率不够理想，且负载阻值大到一定程度总归是会启动不了电路的，所以没用这个电路，仍是想办法改变万用表×10K挡换挡开关接法实现1.5V电池物理关断而用的常规升压电路。现在这个升压模块是要用在数字万用表的，负载接入时一般都在mA级电流以上，不可能接近于阻值无穷大的现象。那么只用一个三极管作为负载接入开关是否可以用到这个模块来控制升压芯片的通断呢？简单画了几个单三极管开关控制电路脑补了下，觉得用PNP管发射极接在输出电压正极、基极作为输出到负载端，这样相当于在输出电压正极串接了一个正向二极管，只是这个二极管是用三极管的be结代替的，当然这样输出电流肯定不能太大，要达到模块原先的A级输出电流肯定不现实，但估计几十个mA给个数字万用表用用还是可能的。设想图如下

　　从三极管的工作原理可以得知，这么接入后的三极管当基极输出无负载时，其基极相当于悬空，即负载电流IM=0，这时从三极管发射极到集电极是没有电流流过，IEC=0，如果集电极与升压芯片④脚EN端连接，理论上应该为0电位，而使芯片关闭。当三极管基极接通负载，输出初始电压通过三极管e极到b极向负载供电，供电电流IM只要达到一定值，而三极管集电极电流IC足够小时，三极管处于饱和状态，e、c极之间压降很小（一般为0.3V左右），这时升压芯片④脚EN端变为高电位，芯片启动升压工作。听起来似乎这样就可以了，但实际电路要解决3个问题：

　　一是我前面红色字体的输出初始电压问题。也就是要实现这个启动输出端得有一定电压在，而前面芯片处于关闭状态理论上输出电压就没了，那不是一切都白瞎。经仔细查看模块电路，惊喜发现该芯片典型应用电路在芯片关闭停振时供电端正极会通过储能电感、续流二极管向输出电压正极形成通路，这时的输出电压正极端相当于电池电压减去续流二极管压降，也就是说电池电压在3.7V～4.2V间输出端会有3V～3.5V的电压，这简直就是为实现我前面设想专门设计的一样。

　　二是三极管穿透电流问题。实际的晶体管不可能是理想的模型，致使是很稳定的硅晶体管，在基极开路的情况下，集电极到发射极之间接上电压也会存在一定的漏电流，这就是所谓的三极管穿透电流ICEO。这个电流如果接近甚至大于升压芯片④脚EN端输入工作电流，就可能使该脚电位上升超过开启电压阀值而使芯片启动。当然这个电流一般都很小，μA级以下，我用万用表μA挡简单测了一下几个管的穿透电流，都没显示出来。那么只要在集电极对地接个几百K的电阻就可以把电位拉低到接近0，确保升压芯片④脚EN端在输出无负载时电位不超过反转电压0.5V（或0.4V）。如果穿透电路能远小于升压芯片④脚EN端工作电流，甚至都不需要外接电阻。这要后面实际改造时试验确定。

　　为了验证这么接三极管后穿透电流到底有没有可能使集电极输出无法彻底接近0电位而关断失效，我随便找了几个小功率的PNP管搭到一个废的空板上在发射极和集电极间用指标万用表×10K挡加上10多V电压试了一下基极开路和对集电极接一个电压表（10M内阻）两种情况，开路和导通情况都十分理想。三是三极管这样非常规接法耐压是否满足。学习了一下三极管的一些基本知识，网上查了一下三极管BE结用作二极管的一些资料，我这样把PNP管发射极接入电压最高点并不会在基极和集电极出现反向电压现象，正向电压也不超过10V，常用三极管都不会击穿。对于电流承受能力，前面说过升压后只是用在万用表一般就十多个mA，如果电源想用到几百mA估计会烧坏三极管。到这里改造的基本思路已经有了，后面就得验证到底可行不。

　　3.这个模块没有锂电池保护功能，但对于万用表等仪器使用也没关系，除了长期封存电池饿死（这有保护电路也救不了），使用过程中锂电池超额电流输出不可能，失压情况表也开不起来，能发现。当然使用自带保护电路的锂电池最好不过了。

　　三、动手改造

　　1.原模块几组实测数据
　　动手前先把原电路的电池接入电流留个数据，这里只是板子买来时默认输出电压约9V下大概测了一下无负载2.5～4.5V输入时输出电压和带载50mA、200mA时输出电压等几种情况。考虑调压用的微型电位器经不起折腾，其他输出电压的情况就不测了；参数所说的2A大电流输出也不去测了，我这简陋的测试条件很容易把模块干废，那就还没上手术台就先嗝屁了。

　　其他输入电压下带载情况就不测，费时费图。再测一个3V输入时空耗电流吧。

　　2.关断升压芯片的一些数据
　　动刀切开升压芯片④脚EN端到输入电源正端的连接，这个模块板子上升压芯片④脚预留了到电源正极和地之间的2个电阻位，制版时到电源正极的电阻位是短接的，只要切开覆铜④脚就悬空了。而到底的电阻位后面需要把加装PNP三极管集电极旁路到地时正好可以加装旁路电阻。

　　这样B628升压芯片④脚EN端悬空了，芯片处于关闭状态了，测一下模块的空耗情况看看。

　　这个时候的空耗电流41.9μA实际上基本就是采样电阻（约107）的电流，电源电压经续流二极管加到采样电阻的电压约4.2V，流过采样电路的电流约4.2V÷107㏀=39.3μA。当然输出端接电压表后电压表也会产生一定电流，所以接表后的空耗（实际就是接了1㏁负载的功耗）电流增加到46.4μA，而输出电压显示4.5V可能是输入电源和表的误差，再有在极微弱电流下，二极管压降也会变得很小。

　　可以看到，进一步降低模块空耗就得大幅加大采样电阻阻值，前面我们看芯片规格书时采样端输入电流是nA级的，应该还是有很大余地的。动手拆采样电阻。

　　3.改造采样和输出电路

　　然后得找兆欧级的大阻值贴片电阻和PNP三极管哪，翻翻废板，在一块貌似老网卡上发现了2个206的电阻（20㏁），会不会偏大了点，测算了下9V÷20㏁=0.45μA，B628升压芯片采样电流不是号称10nA嘛，正好一试。理论上45倍左右的采样电流和灌入电流比，应该还是能基本保证输出电压稳定度的。

　　再在一块电脑主板上找到3个PNP三极管。

　　查了一下3个管的参数差不多少，都是小功率的，凑乎用用，粗测一下选了丝印2A的MMBT3906。计算了一下9V输出时20㏁上拉电阻对应下拉电阻值大约1.4㏁，手头找不到这个值的电阻，考虑到输出接了三极管还有个0.7V左右压降，找了个1M和330K的串联用于下拉采样，正好一个焊在原22K处、一个焊在原电位器处。输出电压稍高0点几伏不要紧，新的9V电池电压也是偏高的，实在电压不合适后面再换大点的电阻调整。

　　4.测试改造后的空耗和输出情况

　　先测一下装上新的采样电阻后芯片关闭状态、4.5V输入电源、输出空载模块空耗。

　　几乎测不到输入电流，0.2μA差不多就是20M+1.33M采样电阻在4.5V电压时的电流吧，有点激动人心了。输出端再接上电压表看看情况。

　　右边的DT9942万用表接在了模块输出端，其直流电压挡内阻为1㏁。这时模块输入电流增加到4.8μA，就是多了输出端电压表的测量电流值吧。同时看到输出电压基本就是电源电压4.5V。

　　顺手测一下芯片启动升压情况下的空耗吧。

　　输出不接任何负载，空耗为91.3μA，去除采样电流可以说与规格书参数高度一致了。

　　输出端接入电压表后可以看到输出电压已经变为9.46V，升压电路已启动，这个电压接入三极管后正好就是我想要的电压，看来采样电阻不用再换了，同时也验证了20M采样上拉电阻没问题，与理论计算输出电压的一点偏差我认为主要是阻值误差和芯片0.6V基准会有一定离散，当然采样阻值大了、采样电流小了逐渐接近芯片采样输入电流了也会影响到采样公式的计算，当电阻电流远大于芯片采样电流时这个影响是可以忽略的，现在可能有百分之几的影响了，好在我用在万用表电源并非高精度要求，能基本稳压就行。

　　这时的输入电流为143.7μA，比完全空载时的91.3μA增加了52.3μA。主要就是电压表的接入相当于在输出端接了1M的负载，9.46V的输出产生了9.46μA的负载电流，这个电流引起电源输入电流的增加，这时芯片处于极低功耗工作状态，其效率也不是最理想的状态，但这个空耗在低压升压电路中应该也算是佼佼者了吧。
测一下50mA输出时的情况吧。

26：改造后芯片工作状态、输出接1M内阻电压表和50mA负载时模块输入电流实测.jpg

　　127.5mA整机工作电流（电源4.5V），正常范围。考虑贴片三极管的耐受度和改后使用场合，其他负载情况这里不作测试。这里声明一下，由于我没有像样的仪器进行专业的测试，所有测试数据只能作为参考，特别是小电流和计算模块效率等可能会存在一定误差，但作为定性说明问题还是有一定价值的。大家需关注同类升压模块详细测试数据的，可以翻看坛内大侠“qrut”的帖子：https://www.mydigit.cn/thread-326454-1-1.html。那里有非常详实的性能测试比较和分析，专业级别的，不是我等搞得出来的。

　　接下来是要验证三极管能否在没有负载时关断芯片、接入负载时启动升压？这也是我最担心失败的地方。第一步先把三极管集电极飞线与B628升压芯片④脚EN端连上。

　　洗洗干净板子（这话不多余，前面拆、焊后直接就试走了些弯路，板子上的焊过后的污渍会严重影响采样、使能等小信号电路），再次测试（后面测试多数使用3.1V左右输入电压）。先看一下输出经PNP三极管后，空载时模块空耗。

　　0.3μA，准度肯定不会太好，我只有这样的仪器了，反正就是小到几乎物理关断吧。这时不能用电压表去测量输出电压是不是没有升压，因为电压表的接入相当于负载已接通，理论上会启动升压电路了。当然我们可以把电压表接在三极管发射极看看，也就是未经过三极管的输出端。

29：输出已接PNP三极管，1M阻值电压表测三极管之前电压和模块输入电流.jpg

　　已上升到3.1μA，显然只是万用表耗散电流，升压电路仍关闭状态。这时的三极管前输出电压是3.06V。接下来电压表换到三极管基极，相当于改造后的模块输出端接上极轻负载的情况。

30：输出经PNP三极管，1M阻值表测输出端（即三极管基极）电压时输入电流.jpg

　　整机输入电流101.9μA，输出电压8.94V。与前面未接三极管芯片工作状态一致。也证明了输出有负载时自动启动升压成功。还是先别激动，启动后会不会再也关不了呢？这种简单的用个三极管进行开关的电路常有的事，断开输出端万用表看看。

31：输出经PNP三极管，断开输出1M阻值表时模块输入电流接近0，芯片已变为关闭状态.jpg

　　拍照急了点，电流值还没回归到静态，但显然开关状态转换是没问题的。到这里改造已经基本成功，接下来测试一下带载几十个mA情况和断载自动关断是否可靠。

33：输出经PNP三极管，断开30mA负载，保留1M电压表芯片保持升压状态.jpg

　　再断开输出端电压表时，模块输入电流再次降到0点几个μA，芯片已转入关闭状态。（图丢了，就不补了）

　　把飞线重新截短焊好，为了确保无负载时三极管能可靠截止，使B628升压芯片④脚EN端呈低电位而可靠关闭芯片，我还是在模块预留的④脚对地电阻处加了一个100K的电阻，就是前面拆下来的采样上拉电阻。因为芯片关闭时这个电阻两端电压接近0V，对空耗没有影响。但升压启动后会增加90μA左右的功耗电流（倒有点像是把原来采样电阻功耗加回去了），相比于万用表几个到几十mA的功耗电流也算不上什么。

　　还有就是前面提到过的，我现在使用的电池不需要使用1A的充电电流，能有100mA多点最好，就直接找了个10K贴片电阻把原来1.2K的换了，测了一下充电电流123mA的样子，差不多。