Power Bank Tomo T4 – разочарование за четырнадцать долларов

Поскольку это мой первый обзор на данной площадке, сначала я хотел назвать его «Power bank, который не смог», но вовремя одумался. Устройство куплено за мои собственные деньги, поэтому в обзоре будет немного фотографий и много технических подробностей, режимов работы и всяких разных чисел. Если вам это по душе – добро пожаловать под кат.

Немного истории

Как-то так вышло, что внешние аккумуляторы (или Power Bank’и) я долгое время обходил стороной. Видел много разных моделей у друзей и знакомых, но сам потребности в таком не испытывал. И вот однажды вечером у нас в электросети случилась авария, и электричество отключили на всю ночь. А как назло на следующий день по работе был очень нужен телефон, но зарядить его дома оказалось просто нечем – ноутбук тоже оказался разряженным. Тогда я вышел из положения взяв в машине автомобильную зарядку и просто подсоединив к ней 3 аккумулятора 18650 (запасной комплект для фонарика) – такая конструкция прекрасно зарядила телефон за 3 часа. Но этот случай заставил меня задуматься, что было бы неплохо все же иметь устройство аварийного заряда телефона. Тогда я стал изучать рынок предложений китайских производителей, и вот тут-то мне на глаза и попался «герой» обзора. Идея вставлять в него обычные аккумуляторы 18650 (которые у меня имеются в небольшом количестве) показалась мне удивительно удачной, ведь в случае чего их можно даже вытащить из фонарика и пустить оставшуюся энергию «на дело». Или наоборот – если в фонарике аккумуляторы вдруг разрядятся, можно поменять их местами и поставить power bank на зарядку. Сказано – сделано, и спустя приблизительно месяц этот чудо-девайс красовался у меня на столе.

К сожалению, фоток ни распаковки, ни коробки, ни комплектации я не сделал – т.к. изначально вообще не планировал писать обзор, хотел просто стать счастливым пользователем устройства (а сейчас устройство уже разобрано). Но могу сказать, что устройство внешне полностью соответствует фотографиям на Али, качество сборки – очень хорошее. Корпус в руках сразу создает ощущение прочного, не гнется и не скрипит (забегая вперед, скажу, чтобы разобрать его без повреждений потребовалось немало усилий). В комплекте поставки сам power bank, небольшая инструкция и очень короткий micro-USB кабель белого цвета (power bank я заказывал черного цвета). Все это было уложено в небольшую коробку и замотано парой слоев «пупырки». Дошло все без повреждений, только легкие помятости на углах коробки.

Первый взгляд

(фотография продавца)

Рассмотрим само устройство. На передней панели находится ЖК-дисплей с подсветкой, отображающий режим работы устройства, приблизительный заряд аккумуляторов и ток нагрузки.
(фотография продавца)

На задней панели находятся два входа – micro-USB и iPhonoразъем (lightning), два выхода USB 1 А и 2 А и кнопка включения. Два входа позволяют заряжать устройство как обычной зарядкой, так и зарядкой от iPhone, а два выхода – одновременно заряжать два устройства от power bank’а (тут надо отменить, что суммарный ток зарядки двух устройств не может превышать 2.1 А).
(фотография продавца)

На этом самое хорошее в покупке заканчивается и начинается медленное разочарование. Установив в устройство аккумуляторы, я обнаружил, что даже в выключенном состоянии оно слегка «пищит». Не сказать, что это как-либо мешает, т.к. услышать писк можно только в тишине и непосредственной близости от устройства, но я сразу почуял неладное – раз пищит, значит, повышающий преобразователь всегда работает и устройство разряжает аккумуляторы даже в выключенном состоянии. Измерение тока покоя подтвердило мои опасения – выключенный power bank потребляет около 3.5 мА. Как быстро это может разрядить аккумуляторы будет подробно рассмотрено далее, а пока было принято решение разобрать устройство и посмотреть, что же там у нас внутри.

А внутри у нас очень качественно собранная плата с небольшими следами ручной пайки и остатками флюса лишь на контактах. Все детали стоят ровно, нареканий к сборке нет никаких. Впрочем, смотрите сами:


Рассмотрим основные узлы. Отрицательные контакты аккумуляторов соединены вместе и подключены к общему проводу устройства. Положительные контакты (через резисторы 0 Ом, выполняющие роль предохранителей) подключены к схеме балансировки и защиты от обратного включения (каждый аккумулятор к своему каналу), выполненной на P-канальной транзисторной сборке FDS4953 и операционном усилителе LM393. Выходы схемы балансировки соединены вместе и через полупроводниковый предохранитель polyfuse поступают на выходной преобразователь G5177C и на питание микроконтроллера PIC16F1933 (через линейный стабилизатор 2.8 В XC6206P282MR, маркировка 54FK). Заряд аккумуляторов осуществляется 4-мя TP4055 (маркировка 55B2), каждый канал заряжается своей микросхемой.

Схема балансировки показана на следующем рисунке:

Блок состоит из P-канального полевого транзистора, включенного в обратную сторону (для того, чтобы защитный диод не проводил ток при неверном подключении аккумулятора) и операционного усилителя, старающегося поддерживать падение напряжения на ключе в 9/200 входного. Т.е. около 0.17 В при напряжении аккумулятора 3.8 В. За счет этого и обеспечивается балансировка – если напряжение на каком-либо аккумуляторе ниже, чем на остальных, он будет отключен от схемы до тех пор, пока остальные не разрядятся до его уровня. Также со входного делителя напряжения берет свои показания о заряде аккумулятора микроконтроллер.

Изначально я думал, что писк выключенного power bank’а происходит из-за того, что у него остается работать повышающий преобразователь. Так нет, я ошибался – выходной преобразователь включается на небольшой интервал приблизительно раз в 4с, затем выключается. Вот график выходного напряжения в выключенном состоянии:

Тогда за счет чего же пищит устройство? Я был очень удивлен, обнаружив, что это возбуждается тот самый блок балансировки аккумуляторов! На выходе операционного усилителя в выключенном состоянии можно наблюдать вот такой вот сигнал частотой около 7 КГц:

Что это, плохое схемное решение или наводки от микроконтроллера? Я склоняюсь к первому варианту. Теперь рассмотрим детальное функционирование устройства в каждом режиме.

Зарядка

Зарядка осуществляется независимо для каждого канала и выполнена на известных микросхемах TP4055 в корпусе SOT-23-5. По схеме использован резистор Rprog = 2K, подключенный к микроконтроллеру, что должно давать управляемый заряд током 400 мА. По факту ток сильно зависит от напряжения на аккумуляторе. Я получил вот такие значения:

Напряжение при этом замерялось непосредственно на самом аккумуляторе. Сначала я предположил, что, возможно, падение тока с увеличением напряжения вызвано сопротивлением соединительных дорожек от микросхемы до аккумулятора, но нет, при таких токах на них падает только 0.01В. Потом я заглянул в даташит микросхемы еще раз и обратил внимание на график заряда – начиная примерно с 4.1 В TP4055 плавно снижает зарядный ток. Из графика также можно вычислить время полного заряда аккумулятора емкостью 600 мАч током 400 мА – оно составляет 1.8 часа или 1 час 48 минут, что очень похоже на правду.

Таким образом, полная зарядка аккумулятора на 3.5 Ач в Tomo T4 займет 10.5 часов. А за 8 часов можно зарядить аккумулятор емкостью 2.6 Ач. При этом, конечно, можно заряжать 4 аккумулятора сразу, но тогда надо быть готовым, что ток потребления от USB-источника может подняться до 1.8 А (т.к. TP4055 линейный стабилизатор, выходной ток у него равняется входному). В действительности же максимальный измеренный мной потребляемый ток составил 1.6 А, при этом напряжение на достаточно коротком кабеле просело от 5.0 В на выходе источника до 4.3В на входе устройства. Возможно, мой кабель имеет не очень толстое сечение и на кабеле получше эта просадка будет меньше, и Tomo T4 сможет потребить расчетные 1.8 А, будем считать так.
Какие выводы можно из этого сделать? С одной стороны, ток 1.8 А – это практически предел стандартного зарядного порта USB2.0, поэтому в случае 4-х полностью разряженных аккумуляторов Tomo T4 выжимает из порта все, что можно. С другой стороны, если вставить в зарядное устройство только один аккумулятор, никаких дополнительных преимуществ в виде ускоренной его зарядки вы не получите – заряжать его по-прежнему придется 8-10 часов.

Режим Power Bank

Выходных USB-порта у устройства два. Верхний обеспечивает ток до 2 А и «ориентирован» на iPhone (на data-выводах порта создаются определенные напряжение с помощью резисторов), нижний обеспечивает ток до 1 А и ориентирован на обычные USB-устройства (data-выводы порта соединены между собой). При этом в описании power bank’а сказано, что суммарный выходной ток двух портов не может превышать 2.1 А. Удивляет то, что производитель ориентировал более мощный порт на iPhone, а не на обычные устройства, которых (в совокупности) значительно больше.

Что внутри: преобразователь напряжения до 5 В выполнен на микросхеме G5177C, которая может обеспечивать выходной ток до 3А (обычное значение – 2.1 А), т.е. вполне соответствует заявленным характеристикам устройства.
Проверим. Для этого заменим аккумулятор лабораторным источником напряжения 4.2 В. Нижний порт:

При дальнейшем увеличении выходного тока устройство отключается. КПД для самого сложного режима составляет 82.9%. Верхний порт:

Как видим, максимальный выходной ток вполне соответствует заявленным характеристикам. КПД в этом самом сложном режиме составляет 70.3%. Нагрев микросхемы преобразователя и выходного дросселя умеренный – в разобранном состоянии можно держать на них палец, т.е. температура около 55 градусов. В собранном состоянии температура будет определенно больше, но до критических значений подняться не сможет.

Однако, по мере прогрева схемы при работе в таком режиме выключение прибора начинает происходить раньше – уже через несколько минут он может выдавать только 2 А, а при 2.1 А начинает выключаться. С чем это связано – возможно, прогретый polyfuse увеличивает свое сопротивление.

Следует отметить, что погрешность встроенного амперметра составляет до 6% на нижнем порте и до 3% на верхнем – весьма большие значения, но не редкость для всяких USB-тестеров. Также 5 вольт на выходе прилично проседает под нагрузкой – до примерно 4.8 вольт в наиболее мощных режимах. Измерения показали, что при токе нагрузки 1 А на верхнем порте преобразователь выдает 5.12 В, примерно по 60 мВ падает на каждом контакте USB разъема, 50 мВ на резисторе контроля тока и 30 мВ на выходном ключе. Пульсации выходного напряжения при этом составляют около 80 мВ:

Преобразователь работает на частоте 500 КГц (график снят с вывода индуктивности, подключенного к микросхеме преобразователя):

Что касается входного напряжения, то его падение таково (питание от одного аккумулятора 4.2 В, выходной ток 2 А):

Итого, паразитное падение напряжения на элементах схемы и конструкции при выходной нагрузке 2 А и питании от одного аккумулятора составляет аж 1 вольт! Это весьма много. Как видим, основные причины такого высокого падения напряжения – это высокое сопротивление пружины отрицательного контакта и большое падение на схеме балансировки. На третьем месте идет полупроводниковый предохранитель.

Однако при установке в устройство 4-х аккумуляторов на первое место выйдет падение напряжения на схеме балансировки, т.к. падение напряжения на пружинном контакте снизится в 4 раза (из-за снижения тока через него). На втором месте будет полупроводниковый предохранитель, т.к. суммарный ток через него не зависит от количества аккумуляторов.

Проведем тест на минимальное рабочее напряжение. При выходном токе в 1 А и питании от одного аккумулятора отключение произойдет при его напряжении ниже 3.39 В. Это весьма прискорбно, т.к. 1 А – вполне себе реально встречающийся при зарядке устройств ток, а 3.39 вольта – далеко не полный разряд литий-ионного аккумулятора (только примерно 65-70% его емкости при токе разряда 2 А). При выходном токе 500 мА отключение произойдет при напряжении 3.2 вольта, что несколько лучше (около 85% емкости аккумулятора), но тоже далеко не отлично. Более детальный анализ показал, что микроконтроллер определяет аккумулятор как «разряженный» при напряжении на нем 3.1 В (85-95% емкости аккумулятора), а более раннее выключение устройства вызвано паразитным падением напряжения на элементах схемы и конструкции за счет протекающего через них при работе тока. Сам же выходной преобразователь сохраняет свою работоспособность и при более низком напряжении (по даташиту – до 2.5 В).

Таким образом, при использовании 4-х аккумуляторов есть шанс разрядить их до 3.17 В (т.е. около 93%) при выходном токе 1 А.

Потребление power bank без нагрузки составляет 13 мА при включенном экране и около 3.5 мА в «спящем режиме», при этом оно не зависит от количества подключенных аккумуляторов. Таким образом, если использовать аккумуляторы емкости 2600 мАч, полный их разряд произойдет за 1-4 месяцев без использования устройства (в зависимости от количества аккумуляторов, чем больше аккумуляторов, тем дольше может устройство лежать без дела).

Выводы

Устройство стильно выглядит и качественно собрано. Использован хороший повышающий преобразователь с приличным запасом по мощности и рабочей температуре. Можно одновременно заряжать устройство и пользоваться им как зарядкой для других устройств. Однако, устройство плохо показывает себя при работе с одним аккумулятором (медленная зарядка и невозможность полного использования энергии аккумулятора при разряде) и более-менее нормально при работе с 4-мя аккумуляторами (адекватная скорость зарядки от USB-порта, возможность использовать почти всю энергию аккумуляторов при разряде).

Также устройство не предназначено для длительного хранения аккумуляторов, они в нем достаточно быстро разряжаются. Это, скорее всего, не окажется проблемой, если вам нужен power bank на каждый день, но может стать полной причиной отказа от данного устройства, если power bank вам нужен в редких внезапно возникающих ситуациях, и он должен быть всегда готов к работе. К сожалению, у меня именно такие требования, поэтому я принял решение доработать устройство под себя.

Доработка

Изучив изложенные недостатки устройства, было принято решение его доработать. Что предполагается сделать:

1. Припаять параллельно пружинам отрицательного контакта батарей медный провод для снижения их сопротивления.
2. Удалить блок балансировки нагрузки батарей и защиты от их обратного включения, соединить все 4 канала параллельно.
3. Удалить polyfuse. Роль защитных предохранителей продолжат играть резисторы сопротивлением 0 Ом.
4. Изменить сопротивление резисторного делителя, чтобы напряжение разряда аккумуляторов для контроллера было 2.8 В.
5. Добавить в устройство выключатель, обеспечивающий полное его обесточивание в нерабочем режиме.
6. Cделать защиту от вставки аккумуляторов в обратной полярности на диоде Шоттки, подключенном параллельно входу устройства.

Таким образом, будет достигнуто:

1. За счет соединения каналов параллельно ток (и скорость) зарядки одного аккумулятора вырастет в 4 раза, что позволит использовать возможности USB-порта полнее независимо от количества аккумуляторов.
2. За счет снижения сопротивления элементов схемы и конструкции будет снижено паразитное падение напряжения при работе устройства, что позволит повысить КПД и более полно использовать энергию аккумуляторов при разряде.
3. Устройство не будет издавать паразитных звуков и разряжать аккумуляторы в выключенном режиме.

При этом придется пожертвовать:

1. Отдельными каналами заряда и разряда. Аккумуляторы в устройстве будут теперь соединены параллельно, поэтому при одновременной вставке заряженных и разряженных аккумуляторов первые будут заряжать вторые. На практике это не особо большой недостаток, т.к. параллельное соединение литий-ионных аккумуляторов применяется абсолютно повсеместно без каких-либо дополнительных балансирующих элементов.
2. Защита от обратной полярности теперь будет «одноразовой» — при неверной вставке аккумулятора через защитный диод будет протекать большой ток, который приведет к выходу из строя одного из резисторов сопротивлением 0 Ом.

Доработку планирую выполнить в недалеком будущем, а пока хочу услышать мнение читателей по этому вопросу. Возможно, существуют какие-то другие более интересные технические решения данной проблемы. Спасибо за внимание :)