设计单电感移动电源的核心在于复用同一个电感，通过电源管理芯片的控制，在电池充电模式（Buck）、设备放电模式（Boost）以及输入输出同时存在时（Bypass或Buck-Boost）之间进行高效切换。以下是一些关键的设计方案和要点：

核心设计方案：基于四开关 Buck-Boost 拓扑 (4-Switch Buck-Boost)

这是目前最主流的单电感移动电源解决方案，使用一个支持“路径管理”功能的专用PMIC（电源管理芯片）。

工作原理

1. 单电感核心： 一个功率电感用于存储和传输能量。
2. 四开关架构： PMIC芯片内部或外部控制四个MOSFET开关管（SW1, SW2, SW3, SW4），形成一个H桥结构环绕在电感两侧。

3. 模式控制： PMIC根据输入电压、电池电压、输出电压的需求和当前状态（充电、放电、静置），精确控制四个开关管的导通时序和占空比，实现不同的工作模式：

   • 电池充电模式 (Buck降压)：
     • 场景： USB输入源（如5V）存在，无负载或负载功率小于输入功率。
     • 功能： 将输入电压降至电池电压给电池充电。
     • 开关动作： SW1和SW4高频互补开关（Buck降压核心），SW2和SW3保持关闭（或SW3在高侧同步整流时导通）。能量：VBUS -> L -> VBAT。
   • 设备放电模式 (Boost升压)：
     • 场景： 无输入源或有输入但未请求充电，设备需要输出。
     • 功能： 将电池电压升压至标准的5V/9V/12V等给外部设备供电。
     • 开关动作： SW2和SW3高频互补开关（Boost升压核心），SW1和SW4保持关闭（或SW4在低侧同步整流时导通）。能量：VBAT -> L -> VSYS (输出端)。
   • 直通模式 / 输入输出模式 (Bypass/Buck-Boost)：
     • 场景A (理想Bypass)： USB输入源存在（如5V），同时外部设备需要5V输出（即输入输出电压相同）。
     • 功能： 输入电源直接为输出设备供电，同时为电池充电（输入功率 > 负载功率）。能量高效流转：部分或全部负载电流直接从VBUS流到VSYS（通过开关管旁路电感），剩余能量通过电感充入电池（Buck模式）。
     • 场景B (Buck-Boost)： 输入电压与输出电压不同（如输入5V需输出9V）。
     • 功能： 将输入电压转换为所需输出电压（可能升压或降压）。
     • 开关动作： 四个开关管协调工作，构成一个高效的单电感Buck-Boost转换器。能量流向复杂，PMIC智能管理：输入能量通过电感转换后同时供给输出负载（优先级更高）和给电池充电。
   • 关闭/待机模式：
     • 场景： 无输入，无负载。
     • 功能： PMIC进入低功耗待机状态，仅监控按键或输入插入。

关键设计要素与挑战

1. 专用PMIC芯片选择： 这是方案成功的关键。选择支持单电感多模式（SIMO）或带路径管理的升降压充电器/移动电源芯片。常见厂商有：
   • Texas Instruments (TI)： BQ25703, BQ25710, BQ25713/BQ25713J 等系列。
   • Richtek (立锜科技): RT9432, RT9536 等。
   • Onsemi (安森美)： 特定升降压控制器或集成的移动电源方案。
   • Silergy (芯源)： 特定方案。
   • SG Micro (圣邦微)： 特定移动电源PMIC。
   • ETA (钰泰)： 特定移动电源PMIC。
   • 关键芯片特性： 需明确支持Vin到Vout的直通功能、高效的Buck和Boost模式、平滑的模式切换、高集成度（开关管驱动器、充电管理、放电升压、保护功能）。
2. 电感选择： 要求严格。
   • 类型： 功率电感。
   • 感值： 按照PMIC规格书推荐值选择（通常在2.2uH到10uH范围常见）。
   • 饱和电流： 必须远大于设计要求的最大充电电流和最大放电电流之和。这是电感选型最重要的参数之一。需要计算峰值电流。
   • 直流电阻 (DCR)： 选择尽可能小的DCR以减少功率损耗和发热。
   • 尺寸： 根据功率等级选择合适尺寸（如3225, 4030等）。
3. 输入/输出电容 (Cin, Cout)：
   • 选用低ESR的MLCC陶瓷电容组合（多个并联）。
   • 容量需满足PMIC规格书要求，为输入和输出提供足够的储能和滤波，保证系统稳定。
4. 电池端电容 (Cbat)：
   • 同样推荐低ESR陶瓷电容。
   • 稳定电池电压，滤除充电电流纹波。
5. 布局布线 (PCB Layout)： 对效率、噪声、稳定性至关重要。
   • 功率回路最小化： VBUS -> Cin -> SW1/SW2 -> L -> SW3/SW4 -> VBAT/Cout。这个高频开关电流环路必须尽可能短、宽、直接。
   • 元件紧凑放置： 电感、输入/输出/电池电容、开关管靠近PMIC。
   • GND平面： 良好、连续的接地平面（建议至少双面板）。
   • 散热： PMIC、电感、开关管（若外部）需要有良好的散热考虑（铺铜、开窗、导热垫等）。
6. 控制逻辑与协议：
   • 集成MCU或依靠PMIC内置逻辑实现按键控制、LED/屏幕指示、USB PD/QC等快充协议的识别和通信（通过USB Type-C接口的CC引脚）。
7. 保护机制： PMIC通常集成，设计时确保可靠。
   • 输入过压/欠压保护 (OVP/UVP)
   • 输出过压/过流保护 (OVP/OCP)
   • 电池过压/过充/过放/过流/短路保护
   • 芯片及电感过热保护 (OTP)
8. 模式平滑切换： PMIC需智能控制切换时机和顺序，防止开关管直通和产生大的电压/电流冲击。

传统多电感方案 (对比)

• 方案： 两个独立的DC-DC转换器：一个Buck充电器 + 一个Boost升压输出。
• 优点： 设计相对独立，易于理解和实现。
• 缺点：
  • 成本高： 需要两个功率电感。
  • 体积大： 两个电感占用更多PCB空间。
  • 效率略低： 在直通场景下，输入->输出路径需要经过两次转换（Buck充电->电池放电Boost），效率损失大（例如5V输入充5V输出，效率可能只有~80%+）。而单电感方案可以接近100%。
• 结论： 在现代紧凑高效的移动电源设计中基本已被单电感方案取代。

总结

实现单电感移动电源的最佳方案是采用基于四开关Buck-Boost拓扑的专用PMIC。 这种方案通过复用单一电感和一个智能PMIC，高效地实现了电池充电（Buck）、设备放电（Boost）和输入输出直通/转换（Bypass/Buck-Boost）功能，大幅节省了成本和空间，提高了系统效率（尤其在直通场景）。

设计重点在于：

1. 选择合适的PMIC： 支持单电感，带路径管理/直通功能。
2. 精心选择电感： 关注感值、饱和电流、DCR。
3. 优化的功率回路PCB布局： 短、宽、低阻抗。
4. 低ESR输入/输出/电池电容。
5. 严格的保护功能和可靠的热设计。

强烈建议参考所选PMIC厂商提供的详细规格书、设计指南、参考设计原理图和布局文件、以及评估板演示，这是成功设计的关键资源。