Powerbank AILI - розбирання та обробка напилком
Статтю цю я писав для Муська. але вирішив зробити собі копію для історії.
Огляд цієї мобільної акумуляторної зарядки тут уже був. У своїй статті хочу ще раз до неї повернутися і розповісти про докладному тестуванні, трохи розібрати схемотехнику і про деякі проведених модифікаціях.
Приступаємо до розбирання.
Задня кришка відсіку акумуляторів легко зсувається, але там немає нічого цікавого. Плата знаходиться під лицьової кришкою, яка не знімається, тому що кріпиться не на засувках а на штирках, які развальцовани з боку відсіку для батарей. Ну чого не зробиш заради цікавості - я їх відірвав, зняв кришку і дістався до плати. Плата кріпиться на 2 гвинтика, викручуємо їх і добираємося до «начинки».
На вигляд все досить акуратно, буває пайка і гірше, всі необхідні компоненти на місці, явною економії на перший погляд не видно. Подекуди все ж відсутні кілька детальок, подивимося наскільки це критично. На чіпах відсутнє маркування. Чого спритні китайці ховають - незрозуміло, судячи з усього це МК і ОУ. Я розглянув плату і продзвонив трасування основних компонентів, наскільки це було можливо. На фото я їх помітив кому цікаво.
Що можна сказати з приводу схеми за результатами огляду і втікачів вимірів
- є захист від переполюсовки акумуляторів, КЗ по виходу, перевантаження, перерозрядження. Причому захист зроблена на непоганих МОП-транзисторах, досить потужних щоб тримати високі струми розряду при невеликих втратах. Причепитися ні до чого.
- бустер також зроблений на пристойному транзисторі в SOIC-8 корпусі і діод на 5 ампер, могло бути і гірше. Думаю, з віддається потужністю проблем бути не повинно.
- конденсатори на вході і виході не дуже великі по ємності, але зашунтовані дрібної керамікою, що теж в скарбничку плюсів
- схема зарядки контролює не тільки вихідна напруга, але і струм. Перемикач на боці банку дійсно обмежує вихідний струм зарядки (природно шляхом зниження вихідної напруги). Не скажу що обмеження калібрувати дуже точно, але цілком в межах порядку регулювання. Струм вважається на обидва порту сумарно, а не на кожен порт і на виході більше 2х ампер банк не видасть - неважливо на один порт або на обидва. Причому не видасть не тому що потужності не вистачає, а тому що не дасть схема обмеження струму. Я не вважаю це недоліком тому при токах близько 2А ККД пристрою стрімко падає, струми на акумуляторах взагалі можуть перевалювати за 3 ампера, ростуть теплові втрати в проводах і на діоді. Краще заряджати довше за часом меншим струмом, але з більшою ефективністю.
- чіп PWM бустера я впізнати так і не зміг, він має маркування M3LJ але в гуглі я нічого не знайшов. Вимірами я з'ясував лише що він працює на досить високій частоті близько 340 кГц і має вхід зворотного зв'язку з контрольним напругою 1,25 вольта.
- вихідні порти зарядки хоч і харчуються від одного бустера, але налаштовані по-різному. Близький до перемикача струму призначений для пристроїв з android з замкнутими контактами data. А той що під основний кнопкою - для пристроїв apple, видає одні їм ведені напруги для виявлення зарядки «від мережі».
- схема побудована так що при підключеному зовнішньому харчуванні банк може заряджатися сам і заряджати щось підключене до нього. Особливого сенсу я в цьому не бачу, тому що для цього потрібен дуже великий струм.
До недоліків повернуся трохи пізніше, спочатку я протестував то що було з коробки. Я перевірив як зарядка тримає навантаження, просідання напруги на проводах і в банку, та й взагалі наміряв багато всього. Як навантаження я використовував набір керамічних резисторів, комбінуючи які я перевіряв роботу на токах від 0,5 до 2А.
Кілька фото з тестів
Обмеження струму в 0,5 і 1 А, видно як сильно просідає напруга при великому навантаженні і обмеженому струмі.
Заміри з обмеженням струму
Навантаження в 2.4 Ом, видно як «просіло» напруга, але вже не через обмеження схеми, а за рахунок втрат в проводах і на шунтах.
Спроба вичавити 2А
Взагалі справи з втратами напруги мене не порадували. Сама схема бустера видає рівно 5 вольт з точністю до + -50 мВ і практично не просідає під навантаженням. Це не може не радувати, значить сам бустер не перевантажений і видає необхідну потужність. Але далі починаються втрати, які схема контролю не враховує - падіння напруги на струмовому шунт, падіння на контактах, провідниках плати і на самому USB-кабелі від банку до питомого пристрої. На шунт падає не так багато - близько 100 мВ при максимальному струмі в 2А, а от втрати в проводах були просто катастрофічними. Я протестував кілька USB кабелів які знайшов удома - в середньому втрати в звичайному кабелі довгою 1,8 м були близько 300-350 мВ на ампер. І це були не найгірші кабелю - рідні micro-USB від HTC і Nokia. C mini-USB ситуація хоч і була трохи краще, але в цілому результати такі що USB-кабель - це головне джерело падіння напруги в зарядках. Можна зробити пару невтішних висновків:
- звичайні комплектні USB-кабелю не призначені для передачі струму більше 1 А і точка.
- для зарядок треба намагатися використовувати спеціальні короткі кабелю
- якщо зарядка «не видає» 2 ампера, це ще не означає що вона погана і проблема не десь ще.
Коротенько результати вимірювань
Rload Vin Iin Vusb Vboost V Rload I Rload ККД% КПДн%
10 3,28 0,79 4,87 4,89 4,70 0,47 87,9 84,6
5,00 3,48 1,57 4,93 5,00 4,62 0,93 84,5 78,1
2,81 3,34 3,04 4,93 4,35 1,55 75 66,3
2,19 4,15 2,84 5,00 4,19 1,91 81 68,0
де
Rload - сопростівленіе навантаження,
Vin - вх напруга
Iin - вх ток
Vusb - напруга на usb роз'ємі банку
Vboost - напруга на виході бустера
V Rload - напруга на резисторах навантаження після втрат в проводах
I Rload - струм в нагружке
ККД% - ККД пристрою як різниця між потужністю з банок і виході з бустера без урахування втрат на дроти і ін.
КПДн% - чистий ККД пристрою як різниця між потужністю от'едавой з банок і потужністю виділяється на навантаженні.
Як видно ККД пристрою досить непоганий і лежить в межах 75-90%. ККД падає при збільшенні віддається струму і різниці напруг між входом і виходом - все досить логічно. Повний ККД викликає сум, ще від 3 до 15% йде на обігрів проводів. Від довгих кабелів і великих струмів треба позбавлятися, тягнути 2 ампера з павербанка це марнотратство.
Що ще наміряв - зарядка відключається при напрузі приблизно 2,92 В, причому це значення сильно пливе в більшу сторону з ростом струму. Очевидно що напруга вимірюється всередині схеми вже після захисних МОПов і частини провідників. Але це навіть плюс - акумуляторів не грозить перерозряду.
Лампочки-індикатори ємності відрегульовані досить грубо, у мене вийшло що діоди гаснуть при наступних напружених
100% - 4 v
75% - 3,8 v
50% - 3,6 v
25% - 3,45 v
Тепер про зарядку акумуляторів самого банку. Схема зарядки тут проста до неподобства. Мабуть з міркувань економії спеціалізований чіп для зарядки Li-ion батарей сюди вирішили не ставити, а вхідна напруга в 5 вольт позбавила змоги застосувати схему з керуванням струмом на біполярному транзисторі. Тому зробили як змогли - зарядка через польовика і обмеженням струму на резисторах + схема контролю напруги яка закриває польовика при досягненні заповітних 4,22 в. Але треба зауважити що схема, незважаючи на свою простоту, досить точно витримує верхній поріг напруги заряду і повністю відключає зарядку при досягненні 4,22В. Ніяких перезарядити струменевим струмом немає, так що за зарядку банок знову ж можна не турбуватися.
Це все що мені хотілося сказати щодо тестів даного банку. В цілому все непогано, заявленим функціоналом банк володіє, явних недоліків я не виявив. Підсумок - можна брати і користуватися і не забути завести хороший кабель.
Отже, я вирішив поміняти дросель, трохи підняти вихідну напругу і суттєво підняти зарядний струм.
За стандартом USB, якщо не помиляюся, напруга допускається в межах 5,25В для USB2 і 5,5В для USB3. Трохи піднявши напругу на виході зарядки у мене буде запас на те що б компенсувати падіння напруги в кабелі і дати можливість ненажерливим пристроїв тягнути нормальний потік. Так що будемо орієнтуватися на 5,25-5.3В на виході.
Спочатку я Відпаяв дросель, щоб не заважав, і став шукати де регулюється вихідна напруга. За це відповідають 2 резистора R40, R41 біля мікросхеми ШІМ.
Там встановлені резистори на 3 та 1 кОм, що при 5 вольтах на виході дає 1,25В на керуючої нозі ШІМ. Я випаяв ці резистори і на їх місце упаяв 2 інших номіналами 15 і 4,7 кОм, які витягнув з якоїсь старої материнки.
Тепер дросель - на платі встановлений дросель на гантельками в закритому корпусі номіналом 10 мкГн. На його місце я вирішив поставити тороидальний дросель, намотаний на кільці з тієї ж старої материнської плати. Мені попалося зелено-синє колечко з порошкового заліза. Ці колечка прекрасно працюють на великих токах і частотах до 0,5МГц - то що треба. За розрахунками для індуктивності в 10мкГн на ньому потрібно було намотати 18-19 витків, я намотав 20 мідним дротом, по товщині як раз щоб заповнити колечко.
Також я припаяв «забутий» діод D3 вгорі плати у вхідного термінала. Там є другий діод з іншого боку плати, виходить що вони включені паралельно. Нехай буде і цей теж, це распараллеліть вхідний струм з microUSB роз'єму, що не завадить при збільшенні зарядного струму банку.
Вийшло якось так:
Тепер зарядка. Як я вже говорив - з нею все цікаво. Вхідний струм з microUSB роз'єму проходить через захисні діоди, і потім через резистори і МОП подається на банки акумуляторів. Мінуси всього цього - моторошна неефективність. Вхідна напруга, після осідання на кабелі, втрачає на діоді підлогу вольта і ще якусь частину втрачає на резисторах. Все це перетворюється в тепло. Номінал і ток цих резисторів, мабуть, підібраний з урахуванням того щоб вони не сильно грілися бо smd і тепло відводити особливо нікуди.
Все що потрібно зробити щоб підняти струм заряду - це зменшити баластні опір. Але тут є одне «але» - потужність, що розсіюється на цих резисторах, пропорційна квадрату струму зарядки і тут головне не переборщити. Я випаяв всі ці smd резюка і на їх місце упаяв металлопленочні вивідний резистор номіналом 0,39 Ом і потужністю 2 Вт.
Заміри показали що при нормальному непросевшем напрузі на вході зарядний струм лежить в межах 2,3А на початку зарядки, коли акумулятором голодні. І поступово ток падає приблизно до 1А в кінці заряду - по-моєму непогано. При встановлених 4 акумуляторах їм нічого не загрожує, зарядний струм буде
0,6A на банку максимум. Ще більше піднімати ток сенсу немає. Резистор тож сильно гріється, так і портативних зарядок видають більш 2А не так багато. Від слабких зарядок все працює прекрасно - напруга просідає, ток падає і все само приходить в рівновагу. HTC зарядка через нормальний провід годувала банк струмом в районі 1 ампера.
Зарядка струмом 2А
Щоб підстрахуватися від сильно грівся резистора я наклеїв на кришку, в те місце де він встановлений, смужку алюмінієвої фольги. Чи не ідеал, але трохи допоможе розподіляти тепло по кришці.
Потестувати після всіх модов - загальні враження позитивні. Дросель мене порадував - сам по собі взагалі не гріється, навіть при максимальному навантаженні. Я припаяв його прямо до висновку бустерного діода щоб відводити з нього тепло на дріт. Від діода він поступово нагрівається, але не так сильно як оригінальний дросель грівся сам по собі.
Напруга на виході бустера вийшло 5,3В. Трохи більше ніж я розраховував, позначилися похибки, але не смертельно. До того ж 50-100 мВ якраз впаде на шунт. Підвищена напруга дуже сприятливо позначилося на компенсації втрат в УСБ-кабелі.
Збираємо, закриваємо, заряджаємо ...
Заміри вже після модифікацій
Rload Vin Iin Vusb Vboost V Rload I Rload ККД% КПДн%
10,08 3,19 0,96 5,27 5,30 5,11 0,51 87,7 84,6
5,00 3,07 2,05 5,25 5,31 4,95 0,99 83,5 77,9
2,81 3,60 3,02 5,21 5,32 4,70 1,67 81,8 72,3
2,19 3,92 3,53 5,30 4,54 2,07 79,4 68,0
1,93 3,91 2,78 4,14 4,31 3,97 2,10 81,6 75,2
Показова останній рядок - перевантажений банк знижує напругу щоб обмежити струм, але при цьому помітно зріс ККД в порівнянні з передидущім результатом. Це я підпаяв короткий провід до «плюса» usb роз'єму і за рахунок цього помітно скоротилися втрати в кабелі.
Ну а в загальному виходить непогано. Я виграв кілька відсотків ККД при великих токах за рахунок дроселя - дрібниця, але приємно