Специализированная плата SC-0241 или собираем свой однобаночный Power Bank

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о замене кишок одного из популярных однобаночных ПБ на более удачные и тестировании получившегося девайса. Кому интересно, прошу под капот кат.

Поначалу, я планировал сделать сравнительное тестирование 3 популярных однобаночных ПБ (за компанию и малютку ПБ на АА элементе) и нескольких специализированных плат, способных отдавать от 1 до 2 ампер. Но в результате, статья получалась очень большая, т.к. было много замеров, поэтому в данной статье ограничусь только небольшой теорией по схемотехнике и работе ПБ, тестированием специализированной платы SC-0241 1.3A DIY и сборкой нового ПБ. Вот те самые испытуемые:

Тестирование электронных начинок различных ПБ, возможно, будет в отдельной статье, если не пропадет желание все это хозяйство тестировать.
Из подручных инструментов все те же бюджетные приспособы: мультиметр DT-832 с хорошими щупами, 2х разрядный амперметр, 3х разрядный вольтметр и самодельный нагрузочный резистор 4.15 Ом.

По традиции, немного теории, куда без нее:

О том, что такое ПБ, как он подключается к устройствам и работает, я уже рассказывал в статье о Миллере ML-102, повторяться не люблю и не буду. Отмечу лишь, что Power Bank («хранилище энергии», «банка питания») – это мобильная зарядка, переносной дополнительный аккумулятор, способный отдавать свою энергию другим устройствам.

Основная масса промышленно выпускаемых ПБ различается по нескольким признакам:
— габариты/внешний вид (в виде цилиндра/параллелепипеда/квадрата/на что хватит фантазии)
— материал (алюминий/пластик) и тип корпуса (разборные/неразборные)
— включение/выключение (включен постоянно в ждущем режиме/вкл-выкл кнопкой/автовыключение)
— наличие аккумуляторов (предустановленные/самостоятельная установка банок)
— тип используемых аккумуляторов (NiMH, Li-Ion, Li-Pol)
— количество аккумуляторов (однобаночные/многобаночные) и их соединение (1, 1S2P, 1S3P, 1S4P, 2S2P, 1S5P, 1S6P, 2S3P, 3S2P и т.д.)
— емкость (от 1Ач до 20Ач)
— преобразователь напряжения (повышающий Step-Up/понижающий Step-Down)
— встроенная защита (от КЗ/перезаряда/переразряда/переполюсовки/перегрева)
— универсальность по банкам (защищенные и/или незащищенные) и возможность просто заряжать
— входные параметры (разъемы DC port, miniUSB или microUSB, заряд током 0,5А, 1А или 2А)
— выходные параметры: фиксированное/регулируемое напряжение (от 5V USB до 13V DC port) и фиксированный/регулируемый ток (0,5А, 1А для смартфонов, 2,1А для планшетов или 3,5А для «прожорливых» устройств)
— количество выходных портов (1,2 или 3 выхода, иногда присутствуют одновременно и USB 5V, и DC port 12V)
— независимость каналов заряд/разряд (одновременно заряд/отдача, либо только заряд или отдача)
— независимость выходных каналов (несколько зависимых/независимых выходов)
— индикация режимов (заряд/заряжено/отдача) и остаточной емкости (экран/светодиод(ы))
— дополнительные «примочки» (экран, фонарь, индикатор заряда, солнечная панель и т.д.)
— дополнительные аксессуары (блок питания/адаптер, зарядный кабель, переходники/разъемы и т.д.)
Большинство девайсов имеет КПД в районе 80-90%. Многобаночные ПБ, как правило, имеют более высокий КПД по сравнению с одно/двухбаночными. Это допускается, в первую очередь, более «навороченной» электронной начинкой (полноценный дроссель, качественный высокочастотный импульсный DC-DC преобразователь, хорошие емкостные кондеры и т.д.), которая в небольшие однобаночные корпуса просто не входит, а также, зачастую, более удачным соединением банок (2S2P, 2S3P, 3S2P). Как говорится, проще понижать, чем повышать.


Общая схемотехника ПБ:

Подавляющее большинство ПБ имеют следующие основные компоненты:
1) аккумулятор
2) DC-DC (Direct Current/постоянный ток) преобразователь
— ШИМ контроллер/генератор импульсов (микросхема)
— накопительный дроссель
— сглаживающие конденсаторы
— диод
— управляющие транзисторы
— резисторы
— индикаторные светодиоды
3) контроллер заряда/разряда
— микросхема
— транзисторная сборка
— резисторы
— конденсаторы
— индикаторные светодиоды
4) входные/выходные разъемы
— DC port, miniUSB, microUSB
— DC port, USB


Как работает повышающий DC-DC преобразователь очень простым языком:

Все это хозяйство, как и большинство современных устройств, работают на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это значит, что ток идет не постоянно, а небольшими интервалами (импульсами) с определенной частотой. Более простым языком, предположим, в первые 5 микросекунд ток идет, в следующие 5 микросекунд тока нет, в следующие 5 микросекунд ток опять идет и так далее все чередуется. На графике это выглядит так (фотка откуда-то с интернета):


От ШИМ контроллера (генератор импульсов) подаются импульсы с некоторой частотой на базу управляющего транзистора. Для простоты, будем считать, что первые 5мкс есть сигнал, следующие 5мкс сигнал отсутствует и так далее. Следовательно, транзистор замыкается и пропускает ток 5мкс, затем закрывается на 5мкс, потом опять открывается и так далее все повторяется. В интервале, когда транзистор замкнут (подан импульс на базу, переход коллектор-эмиттер открывается), ток идет от источника питания (аккумулятор) через дроссель, последний при этом запасает энергию. Но, хоть диод и включен в прямом направлении, напряжение не достаточно для полноценного открытия перехода. Как только импульс на базе транзистора пропадает (следующие 5 мкс), транзистор закрывается. Накопленная в дросселе энергия суммируется с аккумуляторной, открывает полностью P-N переход диода и ток устремляется на конденсатор и нагрузку. Конденсатор при этом заряжается (накапливает энергию). В следующие 5мкс опять транзистор открывается («замыкается» переход коллектор-эмиттер) и ток течет через дроссель, диод при этом практически не пропускает ток в прямом направлении и не дает уйти току с конденсатора обратно (там он включен в обратном направлении). Нагрузка в это время (5мкс) питается с конденсатора (он разряжается). В следующие 5мкс транзистор опять закрывается и ток опять идет через диод на конденсатор и нагрузку. Цикл повторяется. При этом повышенное напряжение получается из суммы напряжений с аккумулятора и дросселя, минус потери, что нам и нужно (аккум и дроссель соединены последовательно, общее напряжение суммируется). Управляя частотой импульсов, добиваются нужных выходных параметров и стабильной работы всей системы. С плохо подобранными компонентами при длительных паузах нагрузке может не хватить накопленной конденсатором энергии (будут броски/провалы выходного напряжения), а при коротких — дроссель может не успеть накопить достаточно энергии (выходное напряжение будет низким). Все должно быть сбалансировано. Именно поэтому небольшие платки преобразователи не держат параметры…
Вот так работает повышающий (Step-Up) конвертер с накопительным дросселем. Есть еще несколько видов, но это уже другая тема.


Итак, хватит теории, вернемся к нашим барашкам…

Собственно, вот этот ПБ меня не устраивал:

Внешний вид, конечно, хорош, но электронная начинка ужасна. Как работает и что он может, в сравнении с другими, а также подробные ТТХ, возможно, будут в другой статье. От себя скажу, что на серьезное применение не годится из-за кучи косяков, к тому же родной аккум плох, даже очень плох…


От данного ПБ требуется только стильный надежный корпус. Электронная плата и аккумулятор будут другими.
Итак, специализированная плата для ПБ с FastTech SC-0241 1.3A DIY. Краткие ТТХ из описания и (по результатам теста):
— ток заряда – 0,4-0,52А (0,5А)
— входное напряжение – постоянное 4,5-5,8V, microUSB разъем
— напряжение окончания заряда – 4,2V (4,16V)
— выходной ток – до 1,3А (1,1А максимум при вполне рабочих параметрах)
— выходное напряжение – 5-5,2V, USB разъем (4,2-5,21V, в зависимости от нагрузки 0,5-1,2А)
— напряжение окончания разряда – 2,5V (2,4V)

Общий вид платы:


Немного по устройству и принципу работы данной платы:
Контроллер заряда/разряда собран на микросхеме DW01. Нашел только для DW01-A

Я изначально планировал поставить данную плату в цилиндрический ПБ, т.к. ее ТТХ с сайта были весьма хороши. Но здесь меня ждал неприятный сюрприз. Дело в том, что данная плата чуть шире и без допилинга просто не входит в корпус ПБ:

Но выход из данной ситуации есть. Как видим, разводка печатной платы идет не до самых краев, а значит можно срезать бока платы. Для других ПБ данная операция может и не пригодится.

Если решили устанавливать в данный ПБ, то срезать нужно до самых проводников, иначе плата не влезет, но срезать без фанатизма! Плата, похоже, из стеклотекстолита, острым ножом режется легко. К сожалению, фото «обрезания» нет, но если срезать так, как я написал, то все прекрасно входит, даже остается место с боков для термоусадки.
Под данную плату был куплен высокотоковый емкий аккумулятор Panasonic NCR18650PF 2900mah с низким порогом разряда до 2,5V. О нем я уже немного упоминал в статье о кастрации защищенных аккумуляторов.

Вот краткие ТТХ:
— форм-фактор – 18650 (18,5мм*65,3мм)
— номинальная емкость – 2900mah (минимальная 2750mah)
— внутреннее сопротивление – 25мОм
— номинальное напряжение – 3,7V
— максимальный ток разряда – 10А (кратковременно, до 5 секунд — 18А)
— полный заряд – 4,2V
— полный разряд – 2,5V
— рекомендуемый ток заряда – 1,35А
— расчетное время заряда – 4 часа
— метод заряда — CV/CC
— вес – 48 гр

График разряда 3А током c форума ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТ (нигде не нашел разряд до 2,5V, везде до 3V):

От себя добавлю, что ничего особенного не представляет, но должен быть получше хваленого NCR18650B 3400mah, т.к. нагрузка на банку в конце разряда большая и последний с ней не справится. Данный аккум кое-как, но все-таки держит нагрузку, да и по цене не слишком дорог, поэтому довольно неплохой выбор. И если учесть низкий порог разряда платы, то подходящих кандидатов можно пересчитать по пальцам.




Подведем итог по ТТХ:
+ идеальные выходные параметры на токах до 1А
+ не слишком сильно нагревается при токах отдачи до 1А (греется терпимо)
± низкий порог разряда (до 2,5V без опаски могут разряжаться только порнослоники NCR)
— цена (почти как целый ПБ)
— не слишком хорошие выходные параметры на большой нагрузке, хотя заявлено до 1,3А (напряжение сильно проседает после 1А)
— зарядка невысоким током (500ма) и продолжительная последняя фаза
— небольшой недозаряд (окончание заряда на 4.16V)
— отсутствие индикатора в режиме «отдачи тока» (только индикация зарядки/окончания заряда)

Теперь окончательная сборка ПБ:

Что будем использовать:
— корпус цилиндрического ПБ
— покупная специализированная плата SC-0241 DIY
— аккумулятор Panasonic NCR18650PF 2900mah
— термоусадочная трубка для 18650 аккумуляторов


Теперь относительные цифры для сравнения. Данный тест, в принципе, ни о чём толковом не говорит, но общую картину представить может. ПБ был заряжен до включения зеленого индикатора, но как выше писал не полностью (до 4,16V, 90-95% емкости акка). К тесту подключался после 20 минут простоя. В качестве зарядного кабеля всегда выступал родной, который шел в комплекте со смартфоном. В качестве нагрузки выступал смартфон Samsung Galaxy S3 с емкостью акка 2100mah. Зарядку ПБ Miller ML102 с аккумулятором Sanyo UR18650ZY 2600mah, разряженным до 3V приведу позднее, лень разряжать. Зарядка смартфона производилась до 70%, чтобы исключить последнюю фазу заряда и до 100%. Если ничего не спутал, то картина такая:
— зарядка родным адаптером смартфона SGS3 с 10% до 70% — 75 минут
— зарядка родным адаптером смартфона SGS3 с 10% до 100% — 120 минут
— зарядка адаптером от смартфона SGS3 данного ПБ – около 6 часов (зарядный ток маловат)
— зарядка 100% заряженным ПБ смартфона SGS3 с 10% уровнем заряда до 100% – 105 минут, плюс остатка в ПБ хватило еще на зарядку «следующего круга» с 10% до 21% (за 15 минут).
— зарядка 100% заряженным ПБ смартфона SGS3 с 10% уровнем заряда до 70% – 65 минут, плюс остатка в ПБ хватило еще на зарядку «следующего круга» с 10% до 56% (за 52 минуты).

Примечание: тут важно понимать, что КПД преобразователей (ПБ/смартфон) не идеален, да и зарядный кабель не так хорош, поэтому 2900 vs 2100, не значит безоговорочная победа первого. Почему так происходит, упоминал выше.

Подводя итог, скажу следующее. Идеальной платы я пока не видел. Т.к. данным девайсом я пользуюсь очень редко, то я закрыл глаза на низкий ток заряда. В самом деле, ежедневно ПБ я не использую, поэтому каждый день его заряжать не нужно. А вот высокий ток отдачи для меня важен. Вообще нужно понимать, что при таких габаритах платы, высоких параметров от нее не дождаться. Поэтому ток отдачи в 0,9А я считаю просто отличным. Меня собранный ПБ устраивает. В первую очередь, мне нужен был стильный вид и высокая токоотдача, остальные параметры не критичны. Собранный ПБ как раз вписывается в условия.