自行設計鋰電池充電模組板慘痛經驗

撰寫: 2023/3/24

發佈: 2023/5/14

自行設計鋰電池充電模組考量

參考專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板的設計，在自行設計鋰電池充電模組板的功能目標上就設定如下的方向 ：

• 降低價格：採用現有鋰電池充電模組，減少開發費用；因為鋰電池充電模組本來就是行動電源的模組材料，所以比行動電源的模組或電池座開發板更便宜；也不需要從設計電路板、自行layout、打件從無到有的開發費用所費不貲。
• 自行設計學習：雖然沒有從無到有的設計電路板到成品，但採用現有鋰電池充電模組到可與Raspberry Pi Zero合併組裝的成品，仍然需要自行設計佈線及螺絲孔位，可以學習設計布局的概念。
• 專屬電源直接連接：專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板有個最大特色就是有專屬的頂針或接頭，可以相對應直接連接Raspberry Pi Zero 5V及GND接點的頂針，不須焊接；所以在此自行設計鋰電池充電模組板也嘗試設計專屬的電源頂針來連接。

設計鋰電池充電模組

考量方向確認後，以下是訂出以下的設計目標： 

• 採用單顆18650電池及電池座：

18650電池多數註明最大9900mWh供電量，雖然Raspberry Pi Zero沒有需求這樣大的電量，但提供較多的電量，可以延長使用時間。

• 採用3.7to5V 2A 18650 Li Battery charge Module電源供應板：

電源供應板電壓及供電電流符合Raspberry Pi Zero需求，甚至可以提供給Raspberry Pi 2 or 3，所以選用此現有源供應板再加工為Raspberry Pi Zero電源供應板。

• 含電源開關：

專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板都有電源開關，才好控制Raspberry Pi Zero開關。

• 與Raspberry Pi Zero電源可直接連接：一般專為Raspberry Pi Zero設計的電源供應板都有設計相對應直接連接Raspberry Pi Zero 5V及GND接點的連接針，不須焊接。
• 提供5V多輸出焊接電源端點：可以牽線提供外部需要電源的模組。

為了達成上述所有功能，能與Raspberry Pi Zero直接連接，所以需要加一片萬用電路板，設計將此電源供應板模組貼在萬用電路板上，並牽電路線於特定位置來配合Raspberry Pi Zero及18650電池盒；基本設計如下 ：

• Step1: 將此電源供應板模組貼在萬用電路板 

將電源供應板模組貼在靠近萬用電路板右上方，是為了留著micro USB接頭可以外接充電，右上方的螺絲孔位留給與Raspberry Pi Zero螺絲孔位相接固定，G4與G7針孔可以穿透到萬用電路板後方與電池座相接；至於out + out -則必須牽線到Raspberry Pi Zero電源相對應的位置來與Raspberry Pi Zero直接連接。 

• Step2: 安裝單顆18650電池座及電源開關

G4穿透針孔到萬用電路板後方與電池座負極相接，電源開關剪除左邊針，留中間針穿透G7針孔到前方電源供應板模組焊接到Bat+孔位，電源開關右邊針穿透G8針孔到萬用電路板前方與電池座正極接線穿透G9針孔到前方相焊接。如下圖側邊圖可以看出更清楚： 

• Step3: 設計Raspberry Pi Zero電源直接連接pins

如下圖Raspberry Pi Zero pin4與pin6要與設計的電源供應板輸出正負極頂針相連

為了使Raspberry Pi Zero W接頭都在右方，所以需要將下圖上下顛倒並將右上方的螺絲孔位與設計的電源供應板螺絲孔位相接固定，所以要將至於電源供應板正負極頂針設計在F19及F20。

在此特別強調一點當初設計的一個特點，為了使設計的電源供應板加上Raspberry Pi Zero W不要太高太厚，所以放棄使用過長的2.54mm公排針，而採用2.54mm圓排針，在Raspberry Pi Zero W採用母圓排針，電源供應板也採用母圓排針反過來當公圓排針來使用，反面的圓洞還可以走線，本意本來就要避免排針連接過高，所以就設計將母圓排針裸針直接塞入電源供應板F19及F20中做為頂針，因此電源供應板連接Raspberry Pi Zero W就可以相當的低，設計圖如下： ​​​​​​​：

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反過來成品如下：

本來覺得相當自豪自己神來一筆非常聰明，後來造成電源短路燒掉一片Raspberry Pi Zero W事後檢討才發現也就是在這裡設計沒有考慮到電源接點安全隔離的關係，母圓排針裸針直接塞入電源供應板F19及F20中做為頂針會有歪斜，在加上下一步要多設計提供5V多輸出焊接電源端點，疊層架屋重複使用頂針正負極造成接腳精度不夠，連結Raspberry Pi Zero W造成電源短路，燒掉Raspberry Pi Zero W電源部分後悔的事情就發生了。

• Step4: 提供5V多輸出焊接電源端點

因為麥克風與喇叭放大模組都需要額外的5V電源，所以就在上與下方各別多加了90度彎角公直排針，如下圖所示上排針﹕

上排針放置在F1 and F2，由G3在前面引負極連接F2，在由F3引負極牽線到頂針F19，並與前面來至電源模組輸出負極的G19相連。最後在往下牽引到E22，準備連接F21及F22下排針。 

下排針放置於後方F21及F22，前方直接將電源模組輸出正極連接至F20頂針與F21下排針正極，負極在前一個步驟已經從背後E22牽引到前面接F22，如下圖： 

背後從F20牽引到上方E1接到上排針F1正極，但注意F20焊接點要加熱縮套管以防止與跨接地線短路，如圖所示各部分及完成圖： 

• Step5: 組合Raspberry Pi Zero W

完成後最後加上右上角螺絲，並將電源供應板輸出正負極頂針與Raspberry Pi Zero pin4與pin6相連，如下圖： 

完成圖：

設計心得

多設計提供5V多輸出焊接電源端點，疊層架屋重複使用頂針正負極易造成短路且造成母圓排針裸針直接塞入電源供應板F19及F20中頂針會有歪斜，在加上接腳精度不夠，這些都是設計沒有考慮到電源接點安全隔離的關係，後來造成電源短路燒掉一片Raspberry Pi Zero W的原因，所以過於貪心加上思慮不周造成因小失大，燒掉Raspberry Pi Zero W後悔的事情發生了 ​​​​​​​。

後記

本文為個人學習的經驗，後續有所改進將再發文分享；本人因工作因素發文後並不會經常檢視讀者問題，對於沒法及時回覆問題敬請見諒!

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