立创开源：基于CH224Q与LMX5069的170W笔记本电脑快充并联器设计与实现
立创开源：基于CH224Q与LMX5069的170W笔记本电脑快充并联器设计与实现
最近有不少朋友问我，带着高性能游戏本出门，原装电源又大又重，能不能用几个小巧的氮化镓快充头或者大功率充电宝给它供电？这个想法很实际，但直接并联几个充电器风险很大，电压电流不匹配很容易烧设备。正好，我在立创开源平台看到了一个非常棒的项目——一个专门为笔记本设计的170W快充并联器。它用三路Type-C输入，合并输出最高20V/8.5A（170W），完美解决了大功率笔记本的移动供电痛点。
我自己也研究了一下这个设计，发现它思路清晰，用到的芯片也很典型，非常适合咱们硬件爱好者学习和复刻。今天，我就结合这个开源项目，带大家一步步拆解它的设计思路、电路原理和实现细节，手把手教你理解如何安全、高效地“合并”多个快充电源。
1. 项目背景与核心需求
咱们先聊聊为什么要做这个东西。很多高性能游戏本或者移动工作站，功耗动辄一两百瓦，原配的电源适配器像个“砖头”，携带非常不便。虽然现在市面上有很多100W甚至140W的PD快充头，但单口的功率依然不够。
这个项目的目标很明确：让大功率笔记本也能用上小巧的通用快充设备。它的核心思路是，用三个支持20V输出的Type-C快充头（或充电宝），通过一个智能的并联控制器，将它们的功率“叠加”起来，输出一个稳定的20V高压，总功率最高能达到170W（峰值300W），从而驱动你的游戏本。
听起来是不是有点像“三个臭皮匠，顶个诸葛亮”？但电力并联可不是简单地把线接在一起就行，这里面有三大关键问题需要解决：
- 协议握手：如何让每个Type-C充电器都乖乖输出20V？
- 安全同步：如何确保三个电源同时工作，且不会互相“打架”（比如电流倒灌）？
- 智能管理与保护：如何监控总功率，并在过流、欠压时及时关断，保护笔记本和充电器？
这个开源项目用两颗核心芯片——CH224Q和LMX5069——漂亮地解决了这些问题。接下来，咱们就深入芯片和电路，看看它们是怎么做到的。
2. 核心芯片与方案架构
2.1 整体工作流程
在深入细节前，咱们先俯瞰一下整个系统是怎么跑起来的。你可以把这个并联器想象成一个智能的电力调度中心：
- 接入电源：你插上1个、2个或3个支持PD 20V输出的快充头。
- 协议协商：每个Type-C口上的CH224Q芯片会与对应的充电器“握手”，请求输出20V电压。
- 电压就绪：当MCU通过ADC检测到至少有两个输入口的电压都达到了20V，它认为电力储备足够。
- 通道开启：MCU控制LMX5069功率开关芯片，打开对应通道的MOSFET，让电力流向输出端。
- 实时监控：INA226电流电压传感器持续监测输出的总电压和电流，计算实时功率，并在OLED屏上显示。
- 多重保护：LMX5069自身集成了过流、过压、欠压保护，一旦检测到异常（如电流超过11A），会立即关闭通道，确保安全。
整个过程的逻辑可以用一个简单的流程图来理解：
插入充电器 -> CH224Q握手出20V -> MCU检测输入电压 -> (满足条件) -> MCU使能LMX5069 -> 电力合并输出 -> INA226监控反馈2.2 快充协议芯片：CH224Q
想让Type-C充电器输出20V，必须和它进行PD（Power Delivery）协议通信。CH224Q就是干这个的。它是一颗国产的快充协议诱骗芯片，功能非常专一：模拟一个支持PD协议的设备，向充电器申请固定的电压档位。
在这个项目里，每个Type-C输入口都配了一颗CH224Q。它的电路连接很简单：
- CC1/CC2引脚：连接到Type-C接口的CC引脚，这是协议通信的通道。
CFG1、CFG2、CFG3引脚：通过配置这三个引脚的高低电平，可以设定芯片申请的输出电压。项目中将它们配置为申请20V档位。VOUT引脚：协议握手成功后，充电器输出的20V电压就从这里出来。
它的工作就像个“翻译官”：当充电器插上，CH224Q通过CC线说：“嗨，我是一台需要20V电压的设备。” 充电器回应：“好的，20V已就绪。” 于是，20V的电力就建立起来了。省去了我们自己用单片机去解析复杂PD协议的麻烦。
2.3 智能功率开关：LMX5069
电力合并的关键是“开关”，这个开关必须聪明、快速且可靠。LMX5069正是一颗集成了驱动、保护和检测功能的智能高端功率开关。它内部集成了一个N沟道MOSFET以及控制逻辑。
对于每一路输入电源，都使用一颗LMX5069作为控制开关。它的几个关键引脚和功能是设计的精髓：
VIN引脚：这是电源输入引脚，也是芯片的供电引脚。来自CH224Q的20V电压从这里进入。SENSE引脚：电流检测引脚。它通过一个外部的检流电阻（RSNS）连接到地。电流流经这个电阻会产生一个微小的压降。OUT引脚：功率输出引脚，连接到最终的并联输出总线。UVLO引脚：欠压锁定引脚。当此引脚电压低于2.5V时，芯片会关闭输出。这里用它来作为使能控制——由MCU的GPIO控制其电平，从而控制整个通道的开关。OVLO引脚：过压锁定引脚。当此引脚电压高于2.5V时，关闭输出。项目中将它通过电阻分压网络连接到VIN，用于实现输入过压保护。
保护机制是如何工作的？
- 过流保护（OCP）：
SENSE引脚和VIN引脚内部会进行比较。当电流过大，导致SENSE引脚电压比VIN低55mV以上时，芯片判定为过流，立即关闭内部MOSFET。项目中使用的是5mΩ的检流电阻，根据公式保护电流 = 55mV / 5mΩ = 11A。这意味着单路电流超过11A就会触发保护。在20V输入下，单路最大功率被限制在20V * 11A = 220W。 - 防倒灌：芯片内部是单MOSFET架构，为了防止一路有电时电流反向灌入没电的另一路，项目在每路输出后端还额外增加了背对背（双）NMOS管作为隔离，确保了即使某路电源被拔掉，也不会影响其他通路。
可以说，LMX5069是安全性的基石，它让简单的“通电”变成了可管理、可保护的“受控输出”。
3. 硬件设计与PCB布局要点
3.1 电路模块分解
整个硬件分为两块PCB：功率板和控制板，采用“三明治”结构叠在一起，非常节省空间。
功率板（下层）： 这是大电流路径的核心，承担着汇流和开关的任务。主要包含：
- 三个Type-C输入接口及其对应的CH224Q协议电路。
- 三路LMX5069功率开关及其外围的检流电阻、分压电阻。
- 用于防倒灌的背对背NMOS管。
- 最终的DC输出插座（给笔记本供电）。
控制板（上层）： 这是系统的大脑和眼睛，负责逻辑控制和状态显示。主要包含：
- 主控MCU：STC8H1K08，一款51内核的单片机，功耗低，资源足够。
- 电流电压检测芯片：INA226，通过I2C与MCU通信，高精度测量总线上的电压和电流。
- OLED显示屏：用于显示输出电压、电流、功率及各通道状态。
- 电平转换和GPIO控制电路，用于驱动LMX5069的使能引脚。
两块板之间通过排针连接，传输控制信号和5V供电。
3.2 PCB设计中的“坑”与技巧
处理170W（峰值300W）的功率，PCB设计绝不能马虎。原作者在这里花了很多心思：
- 功率板用四层板：这不是为了堆料，而是必须的。大电流路径（20V输入到输出）通过内层铺铜来实现。内层铜箔更厚，并且被夹在中间，散热更好，等效阻抗远优于表层走线。
- 电流路径尽量短而粗：从原理图上可以看到，功率路径上的走线在PCB上都做了最大程度的加宽，减少寄生电阻带来的压降和发热。
- 散热是重中之重：LMX5069和防倒灌的MOS管在工作时会产生热量。设计上，这些功率器件都布局在PCB的同一区域，并在其上方放置了一个铝合金导热块。安装时，用704导热硅胶将芯片粘在铝块上，铝块再涂上导热硅脂紧贴铝合金外壳。整个外壳就成了一个巨大的散热器，这个思路非常巧妙，既省空间又高效。
- 装配细节：作者建议给PCB裸板边缘贴上聚酰亚胺胶带（金手指胶带）。这有两个好处：一是防止多次插拔磨损阻焊层导致短路；二是能稍微固定PCB，防止在壳子里晃动。
4. 软件逻辑与单片机程序
这个项目的软件部分相对硬件来说更简洁，主要任务是状态监控和逻辑控制。主控芯片STC8H1K08的程序流程可以概括如下：
- 初始化：配置I2C总线（连接INA226和OLED），配置ADC（用于检测三路输入电压），配置GPIO（用于控制LMX5069使能）。
- 循环检测：
- 通过ADC轮流读取三个Type-C输入口的电压值。
- 通过I2C从INA226读取输出总线的电压和电流值，并计算实时功率。
- 输出逻辑：判断是否至少有2路输入的电压达到了20V（或接近20V）。如果满足条件，则通过GPIO输出高电平，打开对应通道的LMX5069开关。如果条件不满足，则关闭开关。
- 界面显示：在OLED屏幕上循环显示两种信息界面，每15秒切换一次：
- 界面1：显示输出电压、电流、总功率，以及三个输入通道的开关状态（图标显示）。
- 界面2：显示三个输入通道具体的电压值，以及通道输出状态。
程序本身不复杂，但关键在于稳定和可靠。比如ADC采样需要做简单的滤波（取平均）来防止误判，逻辑判断需要有防抖机制，防止电压轻微波动导致通道频繁开关。
烧录配置提示：如果你要复刻，给STC单片机下载程序时，注意芯片型号选STC8H1K08，IRC频率选择11.0592MHz，其他参数用默认值即可。
5. 组装、测试与优化思考
5.1 组装复刻指南
如果你想自己动手做一个，除了焊接PCB，组装阶段有几个关键点：
- 散热组装：在LMX5069和MOS管顶部涂抹适量704硅胶，然后粘上铝合金导热块。确保接触面平整，无气泡。在铝块与外壳内壁接触面涂抹导热硅脂。
- 屏幕安装：OLED屏幕背面贴上泡沫双面胶，再固定在控制板上。这样既能绝缘，又能缓冲，防止压坏屏幕。
- 合盖顺序：先将装有功率板的下壳和装有控制板的上壳分别组装好，再将上下两部分壳体对准合拢，最后拧紧侧面的螺丝。
5.2 实测效果与注意事项
根据作者的测试，使用两个100W的氮化镓充电器，可以稳定输出170W给负载仪。连续工作20分钟后，外壳整体温度在45°C左右，散热设计是成功的。
但测试中也发现了一些可以改进的地方，这也是咱们做硬件项目宝贵的经验：
- 接口发热：在大电流下，Type-C接口和DC输出接口是发热大户。如果追求300W峰值功率，需要考虑更换能承受更大电流的连接器。
- 线材要求：目前三路输入是“被动均衡”，即靠电源自身的输出特性来均流。这就要求三根Type-C to Type-C的线材内阻要尽量小且一致，否则会导致各路径电流不均。尽量使用支持5A电流的优质线材。
- 逻辑可优化：目前的逻辑是，一旦通道开启，即使拔掉某个输入口的线，该通道依然保持开启状态（因为MCU只检测上电瞬间的电压）。更完善的逻辑是持续监控输入口是否有负载，实现“随插随用，随拔随断”。
5.3 优化方向探讨
这个开源项目已经提供了一个非常完整可靠的基础版本。在此基础上，我们还可以思考一些进阶玩法：
- 主动均流：不用依赖电源自身，而是由MCU通过PWM或模拟电路动态调节每路LMX5069的“导通程度”，主动让三路电流平均分配，对线材和电源的要求就更低了。
- 负载检测：在Type-C输入端增加小电流检测电路，判断该口是否真正接有电源适配器，从而实现更智能的通道管理。
- 协议升级：CH224Q是固定诱骗20V。如果想兼容更多设备（比如支持PPS调压的笔记本），可以换成支持完整PD协议通信的芯片（如IP2726等），由MCU动态协商所需电压。
这个170W笔记本快充并联器项目，是一个将常见芯片用于解决实际痛点的优秀范例。它不仅仅是一个可用的工具，更是一个学习电力电子、快充协议和嵌入式控制的绝佳实践平台。希望这篇拆解能帮你吃透它的设计精髓，甚至激发你做出属于自己的改进版本。