Power Bank Tomo T4 - доработка устройства

В прошлом году я делал обзор Power Bank Tomo T4, где рассказал о его существенных недостатках, таких как достаточно быстрый саморазряд, невозможность полного использования энергии аккумуляторов и большое паразитное падение напряжения на элементах схемы, снижающее КПД устройства. Мне удалось доработать Power Bank и полностью устранить описанные проблемы. Если вам интересны детали моей доработки, добро пожаловать под кат.

Начнем с получившихся характеристик устройства:

1. Ток потребления в выключенном состоянии – 2 мкА (было 3.5 мА).
2. Напряжение отключения устройства: 2.65 В – 2.8 В, в зависимости от нагрузки (было 3.1 В без нагрузки и 3.4 В при нагрузке 1 А).
3. Паразитное падение на элементах схемы при работе от одного аккумулятора на максимальный выходной ток – 0.15 В (было 1 В).

Так же дополнительно были сделаны следующие модификации:

1. При работе Power Bank отображает напряжение на аккумуляторах вместо выходного.
2. Выходное напряжение было поднято с 5.1 В до 5.25 В, что позволяет получать более близкие значения к 5 В под нагрузкой.

Но, к сожалению, законы физики не обманешь, поэтому пришлось пожертвовать следующим функционалом:

1. Раздельными каналами для аккумуляторов – теперь они все соединены параллельно. Т.е. если вставить в ПБ заряженные и разряженные аккумуляторы сразу, то первые будут заряжать вторые до тех пор, пока напряжение на них не выровняется.
2. Защитой от вставки аккумуляторов в обратной полярности. Теперь она есть, но при неправильном включении аккумулятора через него (и схему) идет очень большой ток, который приводит к нагреву (и, возможно, выходу из строя) аккумулятора и/или выходу из строя защитного резистора 0 Ом на плате.

Итак, рассмотрим произведенные модификации.

Первое, что я сделал – это припаял медный провод параллельно пружинам, т.к. на них было максимальное падение напряжения. Если вы совершенно не хотите модернизировать электронику устройства, но вам хочется сделать его лучше, выполните эту доработку, она даст значительный результат. Выглядит это следующим образом:

Ко второму витку, начиная от узкой стороны пружины, изнутри аккуратно припаивается медный провод подходящего сечения, который пропускается через всю пружину и подпаивается к её выводу на плате. Лучше всего использовать провод, которым подсоединяются катушки динамиков к контактам на их корпусе, но у меня такого под рукой не нашлось, поэтому я взял обычный многожильный провод – скорее всего, при частом использовании он быстро сломается и его придется заменять. Для залуживания стальной пружины отлично походит флюс ЛТИ-120, только помните, что его желательно все же потом смыть. Подпайка ко второму, а не первому витку позволяет не вносить изменений в контакт между пружиной и отрицательной клеммой аккумулятора.

Для избавления от высокого потребления в выключенном состоянии необходимо каким-либо образом разрывать питание микроконтроллера и выходного преобразователя. Самый простой вариант – это установить механический выключатель. Однако через него будет проходить весь разрядный ток (а это до 4 А), на нем (и соединительных проводах) будет падать наше драгоценное напряжение, ну и в корпусе устройства придется вырезать под него окно, что вряд ли получится сделать красиво. Также, если оставить в Power Bank четыре отдельных канала, выключатель этот должен быть счетверенным.

Поэтому было принято решение отказаться от отдельных каналов для аккумуляторов и соединить их параллельно, что позволит коммутировать только один провод. Также 4 отдельных зарядных микросхемы ТР4055 теперь оказываются соединенными параллельно и позволяют заряжать даже один аккумулятор «учетверенным» током 1600 мА. Но при вставке заряженных и разряженных аккумуляторов одновременно первые теперь будут заряжать вторые до тех пор, пока напряжение на них не выровняется. Лично у меня это дискомфорта не вызывает, т.к. на повседневной работе совсем не скажется (li-ion всегда просто соединяют параллельно там, где это необходимо).

Коммутацию силового провода было решено делать на мощном Р-канальном MOSFET’те, а управление им осуществлять с помощью отдельной схемы, использующей существующую кнопку включения устройства и какой-либо сигнал с микроконтроллера (чтобы не модифицировать корпус устройства). После более детального анализа было выяснено, что в качестве такого сигнала удобно брать сигнал включения/выключения выходного преобразователя, подающегося на его вывод 4. Когда преобразователь должен быть включен, там присутствует высокий логический уровень (2.8 В), когда преобразователь должен быть выключен, микроконтроллер подает туда логический ноль. К сожалению, для управления Р-канальным полевиком нужны обратные напряжения (низкий уровень открывает его, а высокий – закрывает), поэтому в схему управления придется включить инвертор на транзисторе. Также задачу усложняет тот факт, что найти Р-канальный полевик с низким сопротивлением канала в открытом состоянии при управлении небольшим (2.5 В) напряжением достаточно сложно. У меня были в наличии сборки Si4931DY, включающие в себя два Р-канальных транзистора с сопротивлением 22 мОм при напряжении на затворе -2.5 В, которые я и собирался использовать.

И тут я вовремя еще раз заглянул в даташит преобразователя G5177C, где обнаружил, что в режиме Stand-by он потребляет ток меньше одного микроампера! Т.е. можно осуществлять выключение только самого микроконтроллера и никак не выключать выходной преобразователь. А это означает, что можно использовать любой маломощный Р-канальный полевик с практически любым сопротивлением канала, т.к. ток потребления микроконтроллера – 10 мА. В итоге выбор пал на неизвестный smd транзистор, маркированный WA8A и выпаянный в свое время из какой-то материнской платы. То, что это Р-канальный MOSFET показал китайский транзистор-тестер, а вот найти какую-либо документацию по этому обозначению в интернете не удалось. Забегая вперед скажу, что практическая проверка показала, что данный транзистор идеально подходит для своей роли – при напряжении на затворе -2.5 В на нем падает всего только около 2 мВ при токе 10 мА.

В итоге получилась вот такая схема управления:

Открыть «силовой» транзистор Q2 можно двумя способами: с помощью кнопки Power Button, которая замыкает затвор транзистора на землю, и с помощью транзистора Q1, который открывается положительным напряжением, разрешающим работу выходного преобразователя.

Таким образом, общая логика включения устройства становится следующей: нажимается кнопка включения, открывается ключевой транзистор, питание подается на микроконтроллер. Через небольшой интервал времени (пока микроконтроллер инициализируется – кнопку в это время надо держать нажатой) микроконтроллер подает разрешающий сигнал на включение выходного преобразователя, который открывает транзистор Q1 и обеспечивает работу устройства после отпускания кнопки. Когда микроконтроллер решает отключить устройство (а это происходит, если он не обнаруживает какой-либо нагрузки на выходе), он снимает сигнал, разрешающий работу выходного преобразователя, Q1 и Q2 закрываются и микроконтроллер обесточивается. Весьма элегантное решение, позволяющее не добавлять никаких дополнительных элементов управления и не модифицировать корпус устройства.

В качестве Q1 был также использован транзистор, выпаянный из материнской платы. Им оказался PMSS3904 (маркировка W04). В качестве диодной сборки D1, защищающей затвор транзистора Q2 от возможной электростатики (которая может попасть на него через кнопку включения) была использована BAV99 (маркировка А7), тоже выпаянная из материнской платы – там она применялась для защиты data-выводов USB портов. Резисторы R5 и R3 взяты типоразмера 1206 (т.к. один был использован еще при макетировании, а через второй на печатной плате идет дорожка), остальные – 0805.

Для данных компонентов в программе DipTrace (которая бесплатна для радиолюбителей) была разработана печатная плата размером 17.6 х 12.7 мм (толщина дорожки: 0.4/0.4 мм):

Затем плата была изготовлена методом фоторезиста. Лично для меня метод пленочного фоторезиста оказался значительно проще и более повторяем, чем ЛУТ. Процесс состоит из следующих шагов – печатаю негатив платы на прозрачной пленке Lomond для лазерных принтеров (т.к. принтер покупал изначально для ЛУТ, поэтому лазерный), наношу фоторезист Ordyl Alpha 350 на заранее подготовленную (очищенную) плату, накладываю распечатанный рисунок и экспонирую УФ лампой Black Light формата КЛЛ мощностью 30 Вт с расстояния 15 – 20 см в течение 2-х минут. Преимуществом негативного фоторезиста является то, что защищенные от УФ излучения места платы смываются щелочным раствором, а незащищенные остаются. Таким образом, если принтер оставит небольшие непропечатанные точки на заливке между дорожек, они скорее всего смоются и плату не придется даже корректировать перед травлением. А при таких относительно «толстых» дорожках проблем не возникает вообще. Результат можно видеть на следующей фотографии:

Собранная плата выглядит так:

На фото видно, насколько у платы кривые края – при размере 17.6 х 12.7 мм выпилить её ровно электролобзиком из куска гетинакса – весьма непростая задача, особенно если хочется сделать это быстро, т.к. на часах 23:00. Хорошо, что это не скажется на её эксплуатационных характеристиках :)

Все дальнейшие модификации производятся на плате Tomo T4. Детали на плате пронумерованы, поэтому я буду ссылаться на их обозначенные номера. Внешний вид оригинальной платы:

Первым делом выпаиваются транзисторные сборки Q5, Q6, операционные усилители U9, U10, резисторы R13, R15 – R20 (R14 оставляем), R53, R54. Резисторы R13 – R20 представляют собой делители напряжения на 2, с которых микроконтроллер получает информацию о напряжении на каждом аккумуляторе. Именно за счет них он определяет, что аккумуляторы разрядились и выключает устройство. Поскольку каналы было решено объединить в один, эти входы также надо соединить, а делитель напряжения изменить так, чтобы МК отключал устройство при напряжение пониже, чем 3.1 В, чтобы обеспечить более полный разряд аккумуляторов. К счастью МК использует эти входы только для определения степени разряда аккумуляторов, а контроль заряда он отдает ТР4055.

Оставив нижний резистор делителя без изменений (33 КОм), я подобрал, что сопротивление верхнего резистора должно быть 24 КОм, чтобы МК выключал устройство при 2.7 В. А чтобы ток через делитель не разряжал аккумуляторы, когда устройство выключено, делитель необходимо также подключать после ключевого транзистора (т.е. к тому месту, откуда берет напряжение стабилизатор питания микроконтроллера). Поэтому целесообразно поместить этот резистор на дополнительной плате – по схеме это R5, подключенный к контакту «Measure».

Далее необходимо выпаять предохранитель F1 (так как на нем тоже падает достаточно большое напряжение) и заменить его перемычкой. После этого роль предохранителей будут играть резисторы R61 – R64 сопротивлением 0 Ом. Кстати говоря, видел фотографию предыдущих версий ПБ от Tomo, там этого предохранителя нет вообще.

Также необходимо выпаять диод D2, через который входное напряжение подается на выходной преобразователь. Общая идея этого схемного решения такая – если на Power Bank подать внешнее питание, то оно через диод D2 поступит на общую точку соединения аккумуляторов (после выхода схем балансировки каналов) и, если оно окажется выше напряжения аккумуляторов, то схемы балансировки закроются и питаться выходной преобразователь будет только от входного напряжения. Это позволяет использовать Power Bank как «бесперебойник» — если есть входное напряжение, преобразователь работает от него, аккумуляторы не разряжаются. Если входное напряжение исчезает, преобразователь продолжает работать на аккумуляторах. На практике же реализация от Tomo имеет два существенных недостатка. Во-первых, перед диодом стоит резистор R66 сопротивлением 0.5 Ома, поэтому напряжение после диода не может достичь какого-либо серьезного значения даже при небольшой нагрузке. Допустим, преобразователь потребляет 1 А, тогда на диоде будет падать 0.8 В, на резисторе – 0.5 В и еще где-то 0.5 В на входной схеме и кабеле. Т.е. на выходе будет только 3.6 В. Это означает, что пока напряжение на аккумуляторах не снизится до 3.6 + 0.15 (падение на схеме балансировки каналов) = 3.75 В, преобразователь будет продолжать питаться от них. А что такое 3.75 В? Это напряжение аккумуляторов, которые уже наполовину разряжены. Но самое веселое то, что производитель выбрал резистор R66 настолько маленького типоразмера (и, соответственно, мощности), что при токе чуть более 1 А он нагревается так, что сам выпаивается из платы.

Второй существенный недостаток данного решения заключается в том, что если вставить в устройство разряженные аккумуляторы и одновременно подключить нагрузку, устройство будет пытаться заряжать аккумуляторы (ток до 1.6 А) и питать выходной преобразователь от внешнего источника (+1 А), что даст суммарный ток потребления 2.6 А и больше. Такой ток выдержит далеко не каждый USB порт. Кто-то может назвать это преимуществом, но я склонен считать недостатком, т.к. USB-источников с током более 2А почти не встречал.

Но диод D2 надо выпаивать не из-за описанных проблем. Поскольку я отказался от схемы балансировки каналов, если этот диод оставить, при подаче внешнего питания аккумуляторы будут неконтролируемо заряжаться через него. Кстати, без диода мы все равно не лишаемся функции «бесперебойника» – ведь четыре ТР4055 будут пытаться заряжать аккумуляторы суммарным током до 1.6 А. Вот этот ток может пойти как на заряд аккумуляторов, так и на питание выходного преобразователя, в зависимости от тока потребления и степени разряда аккумуляторов. Только теперь устройство не сможет потреблять более 1.6 А ни при каких условиях (ну, ладно, я наблюдал потребление по 450 мА на ТР4055, что дает 1.8 А в сумме), что гарантирует лучшую совместимость с USB-источниками питания.

Теперь необходимо соединить параллельно все 4 аккумулятора. Делается это после резисторов R61 – R64 сопротивлением 0 Ом (которые служат в данной схеме предохранителями) и подключить получившуюся точку к «выходу» выпаянного ключа Q5 (вывод 1).
Следующее изменение, которое я сделал – это отключил от МК управление зарядом аккумуляторов, предоставив этот процесс полностью ТР4055. Для этого резисторы R3 – R6 выпаиваются из платы и напаиваются сверху на микросхемы U1 – U4 между выводами 2 и 5. Если этого не сделать, по окончанию заряда аккумуляторов (когда об этом сигнализирует ТР4055), МК выключает зарядку, а через несколько секунд включает её снова. ТР4055 снова сигнализирует о том, что аккумуляторы заряжены, МК выключает зарядку и процесс повторяется. Теперь за заряд будет отвечать только ТР4055, которая вполне неплохо справляется с полным циклом заряда и сама.

Далее я решил сделать, чтобы Power Bank при работе на нагрузку отображал не выходное напряжение преобразователя (которое очень неплохо держится на уровне 5.1 В), а напряжение на аккумуляторах, т.к. это намного более информативно. Для этого я разорвал дорожку от правого (по фото печатной платы) вывода резистора R25 и подключил резистор к входу стабилизатора питания МК U5. К счастью, МК использует эту информацию только для отображения на экране, и модификация никак не повлияла на работу устройства.

После этого я впаял недостающие конденсаторы С23 — С25 (взял 10 мкФ типоразмера 1206), параллельно С23 припаял защитный диод Шоттки (в обратную сторону, катодом к плюсу питания), а сверху на R41 и R42 напаял корректирующие резисторы 1.2 и 2.4 Ома, чтобы устройство показывало выходной ток более точно (номиналы подобрал опытным путем). Также сверху на R52 припаял резистор сопротивлением 75 КОм, чтобы поднять выходное напряжение преобразователя на 0.15 В. Это позволяет получить на выходе значения более близкие к 5 В даже при больших токах нагрузки. Для повышения стабильности работы МК также припаял конденсатор 10 мкФ типоразмера 0805 параллельно его питанию (параллельно конденсатору С15).

Теперь пришло время для установки и подключения дополнительной платы. Место под неё есть только с обратной стороны платы устройства, в небольшом отсеке между пружинами и задней стенкой корпуса. Для закрепления платы я изогнул одножильный медный провод подходящего диаметра в форму буквы Т, после чего припаял плоскую грань к нижней дорожке (общий провод) разработанной платы. Оставшийся торчащий провод я припаял к контакту крайней пружины (в корпусе пришлось вырезать проем для этого провода). Для подключения проводов к плате я рассверлил небольшое отверстие около USB разъемов до подходящего диаметра, чтобы через него можно было вывести провода на другую сторону платы. На фото это выглядит так:

Также тут виден провод, которые идет от дополнительной платы к кнопке управления (единственный провод, который подключается с этой стороны платы). Теперь еще две поясняющих фотографии. Детали, которые необходимо выпаять из основной платы:

Точки, которые необходимо соединить (синие линии), дорожки, которые необходимо перерезать (красные крестики) и точки подключения дополнительной платы (желтые стрелки):

В результате должно получиться нечто похожее на это:

Проверяем. Питание от внешнего блока, ток нагрузки – 2А. При 2.8 В – уверенная работа в течение долгого времени. Неплохо:

Собираем устройство и еще раз проверяем. Теперь уже от аккумуляторов:

Выводы

Для меня цель доработки достигнута полностью – устройство обеспечивает достойный разряд аккумуляторов (до 2.7 В) и отличный ток покоя в выключенном состоянии – 2 мкА (кстати, половина идет через защитный диод Шоттки). Также индикация стала более информативной, а ток заряда – независящим от количества аккумуляторов.

Стал бы я покупать сейчас данное устройство, если бы знал все это? Скорее всего, все равно нет. На доработку было потрачено достаточно много времени, на мой взгляд, лучше поискать более качественное готовое решение, пусть оно и будет несколько дороже. Тем не менее, сейчас у меня появился Power Bank, готовый дать моим старым 18650 «вторую жизнь» — по тестам в них около 1 Ач при разряде током 1 А, т.е. используя таких 4 штуки можно будет один раз зарядить телефон.

p.s. поздравляю всех с Новым Годом!