Powerbank + зарядное устройство под 4 аккумулятора формфактора 18650

Как-то так получилось, что пользуясь относительно большим количеством всяких мобильных устройств, я обхожусь без дополнительных «банок силы». Хотя корректнее было бы сказать, обхожусь без привычных многим устройств, так как 12 Вольт версия у меня все таки есть.
В данном случае мне просто предложили этот Powerbank для обзора и я подумал — а почему бы и нет, как минимум посмотрю как сделано.
Дальше как всегда, осмотр, разборка, тесты и доработка.


По большому счету это устройство присутствует на рынке довольно длительное время, но в данном случае оно продается под брендом Tlife.
Существует четыре версии устройства, черного и белого цвета, а также с аккумуляторами в комплекте и без оных.
Ко мне попал вариант без аккумуляторов, так как у магазина есть некоторые сложности с пересылкой аккумуляторов.

Заявленные характеристики:
Возможность замены батарей
ЖК дисплей
Микроконтроллерное управление
Защита от перезаряда
Защита от короткого замыкания

Емкость — 53.3Втч
Вход — 5 Вольт 1 Ампер
Выход — 5 Вольт 1 Ампер и 2 Ампера
Саморазряд — 2мАч в сутки.


В комплект входит:
1. Powerbank Tlife
2. USB-microUSB кабель
3. Инструкция


Инструкция хоть и на английском, но очень подробная. Хотя как по мне, то с таким устройством можно разобраться и интуитивно.


USB-microUSB кабель короткий, около 30см. Информационные линии отсутствуют, т.е. кабель работает только на заряд. Разъемы вставляются очень плотно.


Выше я писал, что есть два цветовых решения корпуса, я выбрал белый.
Размеры 130х83х25мм. На мой взгляд весьма габаритное устройство.


Снизу также указано название магазина Tmart, так как эти устройства продаются под их торговой маркой.


Пустой корпус довольно легкий, 116 грамм, с аккумуляторами будет около 300 грамм (4 аккумулятора х 45грамм).


Спереди расположен дисплей, причем матричный, что весьма неожиданно. Обычно на экране просто заранее подготовленные пиктограммы. Подозреваю, что данный дисплей добавил свою ощутимую долю в цену устройства.
Сзади разъемы и кнопка включения.
1. Кнопка включения. Вообще устройство умеет включаться автоматически при подключении нагрузки, но иногда нагрузка не может сразу «подхватить» ток заряда, потому кнопка может оказаться не лишней, как минимум одно устройство у меня требовало нажатия на эту кнопку.
2. Выходы 2 Ампера и 1 Ампер, в части разборки будет понятно, чем они отличаются.
3. Вход microUSB для заряда самого Повербанка.


Верхняя крышка сдвигается назад, открывая доступ к аккумуляторному отсеку, фиксация крышки в обоих положениях уверенная.


Плюсовые клеммы немного утоплены внутрь корпуса, но нормальный контакт есть даже у аккумуляторов с плоским плюсовым контактом, собственно такие аккумуляторы и учавствовали при тесте.
Минусовой контакт выполнен в виде пружин, что является одновременно плюсом и минусом.
Плюс в том, что пружины обеспечивают прижим с аккумуляторами разной длины (с защитой и без защиты).
А минус в большом сопротивлении этих пружин, позже я измерю этот параметр.
Держат пружины хорошо, в процессе теста Повербанк у меня часто был «вверх ногами», ниразу аккумуляторы даже не попробовали вывалиться.


В тесте я использовал аккумуляторы Sony VTC4, которые участвовали в моем обзоре аккумуляторов.


Немного о режимах работы и индикации.
1. При включении (хоть кнопкой, хоть автоматически) отображается надпись — Power-on
2. В режиме заряда есть анимация процесса заряда, но привязки у напряжению или проценту заряда нет, анимация есть — аккумуляторы заряжаются, анимации нет, аккумуляторы заряжены. Но анимация индивидуальна для каждого аккумулятора.
3. Без нагрузки отображается уровень заряда аккумуляторов.
4. Здесь отображение уровня индивидуально для каждого аккумулятора. Хотя с условием что аккумуляторы по сути включены параллельно, то целесообразность такого решения сомнительна. Если вынуть какой нибудь из аккумуляторов, то в соответствующем месте пиктограмма будет отсутствовать.
5. В процессе питания подключенных устройств отображается анимация подключенного разъема, а также ток заряда. Периодически на короткое время отображается уровень заряда аккумуляторов. Дисплей по умолчанию включен постоянно, при коротком нажатии на кнопку включения можно отключить подсветку.
Так как Повербанк имеет функцию автоматического включения, а также автоматического отключения, то я проверил как он ведет себя с маломощными нагрузками. В моем случае при токе заряда в 0.05 Ампера все работало, но при более низком токе заряда устройство отключится, т.е. заряжать очень маломощные устройства будет тяжело, отключение может произойти раньше чем будет достигнут 100% заряд.


Переходим к тестам и прочим экспериментам.
Сначала покажу соответствие отображаемого тока заряда и реального.
При помощи электронной нагрузки я проверил устройство в диапазоне токов 0.5-2.5 Ампера с интервалом в 0.5 Ампера.
Как можно увидеть на фото, измеритель завышает показания.


Выходное напряжение под максимальным током нагрузки просело до 4.92 Вольта, хотя на индикаторе Повербанка оно было в диапазоне 5.06-5.05 Вольта. Данный эффект обусловлен схемотехникой устройства, но в любом случае что 5.06, что 4.92 находятся в допустимом диапазоне 4.75-5.25 Вольта.


При токе нагрузки более 2 Ампер срабатывает защита от перегрузки и выход Повербанка отключается. Происходит это очень быстро, нагрузка даже не успела это засечь, но из-за инерционности дисплея Повербанка удалось сфотографировать ток перед отключением.


Несколько тестов из ситуаций приближенных к реальным и сила тока в зависимости от подключенного выхода.
1, 2. Смартфон. Здесь я допустил небольшую ошибку, так как заряжал «полным» кабелем, с комплектным ток был одинаков. Это произошло из-за того, что с полным кабелем зарядное телефона снижало само ток заряда. Причем при подключении остальных нагрузок этот эффект не проявлялся.
3,4. Планшет PIPO, в обоих вариантах ток был около 0.9 Ампера, от родного зарядного ток около 1.8-2 Ампера.
5,6. Планшет CUBE (андроид), Данный планшет может без проблем брать от зарядного ток 2 Ампера, но в первом разъеме (1 А) ток был превышен, а во втором (2 А) ограничен на уровне 0.5 Ампера самим планшетом.


1, 2. Мощный планшет Teclast. В данном случае планшет был полностью разряжен и Повербанк уходил в защиту при подключении к любому гнезду. Думаю многим знакома ситуация, когда полностью разряженный планшет после подключения к зарядному пытается включить экран и затем начинает циклически отключаться. Здесь происходило примерно то же самое, но отключался сам Повербанк.
3,4. Но если оставить так на длительное время, то планшету надоедало отключаться и он начинал заряжаться током в 0.45 Ампера. Примерно через несколько минут заряда в таком режиме я переключил его во второй разъем (2 А) и дальше заряд пошел нормально, ток 2.24 Ампера.
Кстати, разъемы очень легко запомнить, первый — ток 1 Ампер, второй — 2 Ампера, т.е. 1-1, 2-2.
5,6. Более современный смартфон, который может заряжаться током до 2 Ампер. В первом случае срабатывает защита, во втором ток заряда всего 0.91 Ампера. Здесь я не мог подключить кабель который шел в комплекте к Повербанку, так как смартфон имеет разъем USB-C и заряжается через собственный кабель. Я думаю, что при использовании обычного (не информационного) кабеля, во втором разъеме ток заряда будет 2 Ампера.


С первым этапом тестов закончили, переходим к разборке и анализу внутренностей.
Разбирается устройство предельно просто. Сначала отгибаем немного верхнюю крышку и снимаем ее. Делать это надо в полностью открытом положении крышки.
Затем вставляем что нибудь острое между половинками корпуса и разъединяем его. Пластмасса корпуса очень хорошая, достаточно эластичная, потому сломать тяжело.


Получается, что корпус состоит из трех частей + плата, но еще есть кнопка, которая постоянно норовит выпасть и потеряться, будьте внимательны.


На первый взгляд, очень аккуратно.


Но при более внимательном осмотре видны следы флюса, а также иногда не очень аккуратная пайка. Понятно, что на работоспособности это особо не отражается, но позволяет сделать общие выводы о культуре производства.
Напомню, все фото кликабельны.



Элементов на плате весьма много. Виден, микроконтроллер, отдельные зарядные устройства и т.д. Также отмечу большое количество пассивных радиоэлементов.


1. Микроконтроллер PIC16F1933 производства Microchip.
2. Отдельные зарядные устройства организованные при помощи аналогов/клонов LTC4054. Здесь все просто, рядом находится резистор 2.2к, соответственно ток заряда около 0.5 Ампера. В самом начале я писал характеристики Повербанка и там было указано что входной ток до 1 Ампера, реально — до 2 Ампер, этот надо учитывать при выборе блока питания.
3. Микросхема DC-DC повышающего преобразователя. Применена довольно известная G5177C. Согласно даташиту она обеспечивает длительный выходной ток 2,1 Ампера и гарантированный кратковременный в 3 Ампера. Частота работы 500кГц.
4. Выходные USB разъемы. Вот здесь и кроется секрет отличия выходных токов. Информационные контакты имеют разное подключение, потому подключенные устройства выставляют разные токи заряда.
5,6. Но кроме разной распайки информационных контактов имеются и «аппаратные» отличия. Около каждого разъема находится полевой транзистор, подключающий этот разъем, но кроме этого есть еще токоизмерительный шунт. Для первого разъема шунт 0.1 Ома, для второго — 0.05 Ома.

Получается, что за выходным током следит микроконтроллер, но выходной ток определяется распайкой разъемов и логикой работы потребителя. собственно потому и получается иногда ситуация, что Повербанк может, но потребитель не хочет, и наоборот, потребитель готов забрать 2 Ампера, а повербанк не может обеспечить такой ток в первом разъеме. Кабель без информационных жил частично может решить эту проблему, но на мой взгляд очень не хватает «умных» контроллеров, которые сами могут выставлять соответствующие сигналы на информационных линиях. Причем не так важно, будет ли «уметь» повербанк режим QC, но даже без такой функции контроллеры очень не помешали бы.

Отмечу отдельно, что даже при условии возможности «программного» отключения DC-DC преобразователя, устройство умеет отключать нагрузку отдельными транзисторами, причем независимо.


Микросхема преобразователя имеет включение как в даташите, потому при определении максимального выходного тока я пользовался этим данными.


С обратной стороны платы элементов почти нет, большая часть платы пустая.


Около USB разъемов расположен дроссель и диод. Дроссель имеет параметры как в описании микросхемы преобразователя, назначение диода я покажу позже.
А вот пружины мне совсем не понравились, выходит слишком большая длина проволоки.


Я не стал рисовать полную принципиальную схему, так как не видел в этом смысла, но покажу принцип строения данного поверанка.
Сначала питание поступает на четыре одинаковых зарядных устройства, которые заряжают аккумуляторы независимо от остальных элементов схемы.
При помощи четырех диодов (D2-D5) организована защита от установки аккумулятора в неправильной полярности. Также благодаря этим диодам микроконтроллер может следить независимо за напряжением каждого аккумулятора.
После диодов напряжение поступает на повышающий преобразователь, который обеспечивает на выходе 5 Вольт с током до 2.1(3) Ампера. Микроконтроллер управляет работой преобразователя, периодически включая его на короткое время. Данный режим необходим для определения подключения нагрузки и автоматического включения Повербанка.
Минусовой контакт USB разъемов подключен через ключевой транзистор и токоизмерительный шунт. Напряжение от шунта измеряется микроконтроллером и на экран выводятся данные о токе потребления. Транзистор отключает нагрузку при превышении тока, управляется от микроконтроллера.
Выходное напряжение также измеряется микроконтроллером, но так как между минусом USB разъема и минусом остальной схемы присутствует шунт и транзистор, то и получается, что на индикаторе мы видим стабильные 5.06 Вольта, а в реальности при токе в 2 Ампера на выходе только 4.92, разница падает на этих элементах. Это принципиальное ограничение, потому индикатор Повербанка это скорее просто показометр.

Отдельно отмечу то, что кроме функции независимого заряда аккумуляторов, а также независимого управления выходами и защиты, устройство имеет функцию UPS, т.е. может заряжать аккумуляторы и питать нагрузку независимо. При подаче питания на Повербанк входные 5 Вольт через отдельный диод (D1) поступают на вход преобразователя, а так как это напряжение выше, чем от аккумуляторов, то и питание производится от внешнего БП.

Меня часто спрашивают, как сделать простой бесперебойник 5 Вольт. Вот типичный пример, зарядное устройство на базе TP4054 (4056), два диода (для одного аккумулятора) и повышающий преобразователь.

В общем схемотехническое решение устройства «лобовое», т.е. без каких либо хитростей, все просто и прозрачно. Минусом такого решения является низкий КПД, так как диодная развязка это лишний потребитель энергии.


В качестве оценки КПД устройства я решил сравнить реальную емкость аккумуляторов и отдаваемую в нагрузку. Для этого я нагрузил устройство током в 1.5 Ампера и установил два аккумулятора.
Согласно моим данным емкость аккумуляторов составляет около 7.3 Втч, соответственно два аккумулятора дадут 14.6 Втч.
Скажу сразу, КПД зависит от тока нагрузки и количества установленных аккумуляторов, потому при снижении тока и установке четырех аккумуляторов КПД будет немного выше.


На выходе я получил 11.46 Втч, что дает КПД около 78.5%.


Как вы понимаете, мне захотелось большего, потому были куплены более эффективные диоды 30BQ015. Родные имели падение около 0.34 Вольта, на новых при том же токе падало 0.24 Вольта. Хотел купить диоды с падением около 0.15 Вольта, но в продаже их не оказалось :(


Для эксперимента я впаял сначала пару диодов. Они заметно больше и площадки под них не рассчитаны, пришлось сначала залудить контакты диодов, а затем прогревая «усадить» их на место.


Результат стал лучше, хотя и ненамного. Вместо 11.46 я «скачал» 12.03, КПД составил — 82.4%


В процессе теста я контролировал температуру компонентов, старые диоды прогревались до 80 градусов (все тесты в конце разряда, при самом большом токе), новые только до 54.4. Микросхема преобразователя же нагревалась всего до 56.6 градуса, что на мой взгляд очень хорошо.
Кстати, в отличие от полевых транзисторов, которые установлены в микросхеме преобразователя и на выходе, диоды имеют отрицательную зависимость падения от температуры. Т.е. чем выше температура диода, тем меньше на нем падает, потому высокая температура диода это не всегда зло.


Заменив диоды я немного поднял КПД, но как всегда хотелось большего.
Для начала я выяснил, что на дорожках до диодов падает около 0.02 Вольта, плюс столько же падает на дорожке от дальнего диода к преобразователю. итого общее падение 0.04 Вольта.
Дорожки продублировал проводом с сечением 0.5мм.
Попутно в качестве небольшого дополнения установил еще один конденсатор перед преобразователем (просто потому что было пустое место под него), защитный диод по входу 5 Вольт (для него также было место, тем более диод у меня остался после замены) и немного подкорректировап токоизмерительный шунт второго канала, запаяв параллельно резистор 1 Ом.


Но куда большее удивление было после того, как я измерил падение на пружинах к аккумуляторам, 0.17 Вольта! Это больше, чем я выиграл от замены диодов и пропайки дорожек.
Взяв провод я продублировал пружины. Конечно для такого лучше использовать очень гибкий провод, по типу такого как используется у щеток электроинструмента, но пришлось использовать обычный.


Эффект оказался весьма значительным, КПД вырос до 87.6%.
Итого у меня вышло падение напряжения на разных участках до и после переделки:
Пружины — дорожка до диодов — диоды — дорожка после диодов
0.17 — 0.02 — 0.34 — 0.02 = 0,55 Вольта!!!
0,05 — 0,003 — 0,24 — 0,004 = 0,3 Вольта.

Причина повышения КПД кроется не столько в том, что устройство стало отключаться при более низком напряжении на аккумуляторе, сколько в том, что теперь напряжение на входе преобразователя выше, соответственно с повышением напряжения падает ток потребления по входу, соответственно более эффективно используется энергия.


Предвижу следующий вопрос, что можно еще улучшить? Да особо немного, как максимум, применить диоды 95SQ015, но они дороже, да и КПД вырастет не очень сильно. Еще можно заменить выходные ключевые транзисторы, но в некоторых ситуациях это вообще ничего не даст.
КПД самой микросхемы составляет около 94% при питании 3.5 Вольта и токе нагрузки 1.5 Ампера, в моем случае вышло около 87.6%, разница 6.5%, конечно многовато, но к сожалению дальнейшие способы дороги и не так эффективны.


Почему я не использовал вместо диодов известную схему защиты с полевым транзистором. Дело в том, что эта схема не подходит по двум причинам:
1. Она работает только с одним аккумулятором, если соединить хотя бы две такие схемы, то если хотя бы один аккумулятор из двух будет вставлен правильно, то второй транзистор будет также открыт.
2. Так как транзистор открывается от напряжения на выходе, то не получилось бы организовать функцию «бесперебойника».


Меня иногда спрашивают, как сделать простой «бесперебойник» на 5 Вольт. В качестве одного из вариантов можно применить упрощенное решение, которое использовано в данном Повербанке.
Как говорится, выкинем все лишнее и оставим только то, что необходимо.


На этом все, пожалуй единственное, что я не проверил, так это ток потребления в дежурном режиме. Но так как характер потребления импульсный, то измерить его не очень удобно.

Плюсы.
Удобная конструкция
Независимый заряд аккумуляторов
Поддержка функции «бесперебойника»
Защита от перегрузки, короткого замыкания выходов
Защита от переполюсовки аккумуляторов
Наличие дисплея

Минусы.
Не очень эффективная схема, большие потери на развязывающих диодах.
Большие потери на пружинах к минусовым клеммам аккумуляторов.
Автоматическое отключение при токе потребления ниже 0.05 Ампера, подойдет не для всех устройств. Либо надо заряжать два устройства сразу.
Небольшое собственное потребление.

Мое мнение. Насколько я могу судить, данный повербанк представляет собой довольно неплохой «конструктор» для доработки, но в готовом виде не очень эффективен, так как имеет низкий КПД.
Приятно радует функция одновременного заряда аккумуляторов и питания подключенного устройства. Но следует учитывать, что в таком случае ток потребления самого Повербанка будет немного больше суммы тока заряда и потребления нагрузки. например 2х500мА заряд + 2 Ампера нагрузка + потери на преобразовании = около 4.5 Ампера. Потому я бы не рекомендовал использовать такой режим с «тяжелыми» нагрузками, а также внимательно отнестись к выбору БП.
Также этот Повербанк можно использовать просто как зарядное устройство для аккумуляторов размера 18650.
Если хочется доработать быстро и эффективно, то достаточно усилить проводом пружины и силовые дорожки. Замена диодов тоже улучшит результат, но в два раза меньше, чем пропайка дорожек и пружин.

На этом все, надеюсь что обзор был полезен.
Магазин предложил купон TC01 с которым цена должна составить $12.99. Срок действия купона до 14 февраля.