Dual USB 2A Mobile Power Supply - разборка и обработка напильником

Обзор этой мобильной аккумуляторной зарядки здесь уже был. В своей статье хочу еще раз к ней вернуться и рассказать о подробном тестировании, немного разобрать схемотехнику и о некоторых проведенных модификациях. Кому интересны технические подробности, амперы и вольты – прошу под кат.


Внешний вид, заявленные характеристики и органы управления позволю себе не описывать, все это было разобрано в оригинальной статье, за что ее автору отдельное спасибо. Моя зарядка внешне точно такая только черная. Пластик глянцевый, наверняка будет заляпываться и царапаться.



Приступаем к разборке.
Задняя крышка отсека аккумуляторов легко сдвигается, но там нет ничего интересного. Плата находится под лицевой крышкой, которая не снимается, т.к. крепится не на защелках а на штырьках, которые развальцованы со стороны отсека для батарей. Ну чего не сделаешь ради любопытства – я их отодрал, снял крышку и добрался до платы. Плата крепится на 2 винтика, выкручиваем их и добираемся до «начинки».



На вид все довольно аккуратно, бывает пайка и хуже, все необходимые компоненты на месте, явной экономии на первый взгляд не видно. Кое-где все же отсутствуют несколько деталек, посмотрим насколько это критично. На чипах отсутствует маркировка. Чего ушлые китайцы прячут – непонятно, судя по всему это МК и ОУ. Я рассмотрел плату и прозвонил трассировку основных компонентов, насколько это было возможно. На фото я их пометил кому интересно.



Что можно сказать по поводу схемы по результатам осмотра и беглых замеров
— есть защита от переполюсовки аккумуляторов, КЗ по выходу, перегрузки, переразрядки. Причем защита сделана на неплохих МОП-транзисторах, довольно мощных чтобы держать высокие токи разряда при небольших потерях. Придраться не к чему.
— бустер также сделан на приличном транзисторе в SOIC-8 корпусе и диоде на 5 ампер, могло быть и хуже. Думаю, с отдаваемой мощностью проблем быть не должно.
— конденсаторы на входе и выходе не очень большие по емкости, но зашунтированы мелкой керамикой, что тоже в копилку плюсов
— схема зарядки контролирует не только выходное напряжение, но и ток. Переключатель на боку банка действительно ограничивает выходной ток зарядки (естественно путем понижения выходного напряжения). Не скажу что ограничение откалибровано очень точно, но вполне в пределах порядка регулирования. Ток считается на оба порта суммарно, а не на каждый порт и на выходе больше 2х ампер банк не выдаст – неважно на один порт или на оба. Причем не выдаст не потому что мощи не хватает, а потому что не даст схема ограничения тока. Я не считаю это недостатком т.к. при токах около 2А КПД устройства стремительно падает, токи на аккумуляторах вообще могут переваливать за 3 ампера, растут тепловые потери в проводах и на диоде. Лучше заряжать дольше по времени меньшим током, но с большей эффективностью.
— чип PWM бустера я опознать так и не смог, он имеет маркировку M3LJ но в гугле я ничего не нашел. Замерами я выяснил лишь что он работает на довольно высокой частоте около 340 кГц и имеет вход обратной связи с контрольным напряжением 1,25 вольта.
— выходные порты зарядки хоть и питаются от одного бустера, но настроены по-разному. Ближний к переключателю тока предназначен для устройств с android с замкнутыми контактами data. А тот что под основной кнопкой — для устройств apple, выдает одни им ведомые напряжения для обнаружения зарядки «от сети».
— схема построена так что при подключенном внешнем питании банк может заряжаться сам и заряжать что-то подключенное к нему. Особого смысла я в этом не вижу, т.к. для этого нужен очень большой ток.

К недостаткам вернусь немного позже, сначала я протестировал то что было из коробки. Я проверил как зарядка держит нагрузку, проседание напряжения на проводах и в банке, да и вообще намерял много всего. В качестве нагрузки я использовал набор керамических резисторов, комбинируя которые я проверял работу на токах от 0,5 до 2А.



Несколько фото с тестов

Ограничение тока в 0,5 и 1 А, видно как сильно проседает напряжение при большой нагрузке и ограниченном токе.



Нагрузка в 2.4 Ом, видно как «просело» напряжение, но уже не из-за ограничения схемы, а за счет потерь в проводах и на шунтах.



Вообще дела с потерями напряжения меня не порадовали. Сама схема бустера выдает ровно 5 вольт с точностью до +-50 мВ и практически не проседает под нагрузкой. Это не может не радовать, значит сам бустер не перегружен и выдает требуемую мощность. Но дальше начинаются потери, которые схема контроля не учитывает — падение напряжения на токовом шунте, падения на контактах, проводниках платы и на самом USB-кабеле от банка до питаемого устройства. На шунте падает не так много – около 100 мВ при максимальном токе в 2А, а вот потери в проводах были просто катастрофическими. Я протестировал несколько USB кабелей какие нашел дома – в среднем потери в обычном кабеле длинной 1,8м были около 300-350 мВ на ампер. И это были не самые плохие кабеля – родные micro-USB от HTC и Nokia. C mini-USB ситуация хоть и была немного лучше, но в целом результаты таковы что USB -кабель – это главный источник падения напряжения в зарядках. Можно сделать пару неутешительных выводов:
— обычные комплектные USB-кабеля не предназначены для передачи тока более 1 А и точка.
— для зарядок надо стараться использовать специальные короткие кабеля
— если зарядка «не выдает» 2 ампера, это еще не значит что она плохая и проблема не где-то еще.

Я протестировал короткий mini-USB хвостик сантиметров в 30 длинной, при токе в 2А он показал себя очень неплохо. Я не знаю где найти толстые USB кабеля с малыми потерями, но для работы с этим павербанком я заказал себе пару вот таких куцых хвостиков. Наверняка провода в них такие же тонкие и с большим сопротивлением как и везде, но за счет малой длинны потери будут малы. Такие короткие кабеля неудобны в использовании, телефон не отнесешь далеко от банка. Но, как минимум, с ними будет гораздо эффективнее заряжать сам павербанк от мощной USB зарядки.

Вкратце результаты измерений

Rload Vin Iin Vusb Vboost V Rload I Rload КПД % 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

Где
Rload — сопростивление нагрузки,
Vin — вх напряжение
Iin — вх ток
Vusb — напряжение на usb разъеме банка
Vboost — напряжение на выходе бустера
V Rload — напряжение на резисторах нагрузки после потерь в проводах
I Rload — ток в нагружке
КПД % — КПД устройства как разница между мощностью с банок и выходе из бустера без учета потерь на провода и пр.
КПДн% — чистый КПД устройства как разница между мощностью отъедавой с банок и мощностью выделяемой на нагрузке.

Как видно КПД устройства довольно неплох и лежит в пределах 75-90%. КПД падает при увеличении отдаваемого тока и разнице напряжений между входом и выходом – все довольно логично. Полный КПД приводит в уныние, еще от 3 до 15% уходит на обогрев проводов. От длинных кабелей и больших токов надо избавляться, тянуть 2 ампера с павербанка это расточительство.

Что еще намерял – зарядка отключается при напряжении примерно 2,92 В, причем это значение сильно плывет в большую сторону с ростом тока. Очевидно что напряжение измеряется внутри схемы уже после защитных МОПов и части проводников. Но это даже плюс — аккумуляторам не грозит переразряд.
Лампочки-индикаторы емкости отрегулированы довольно грубо, у меня получилось что диоды гаснут при следующих напряжениях
100% – 4 v
75% – 3,8 v
50% – 3,6 v
25% – 3,45 v

Теперь про зарядку аккумуляторов самого банка. Схема зарядки тут проста до безобразия. Видимо из соображений экономии специализированный чип для зарядки Li-ion батарей сюда решили не ставить, а входное напряжение в 5 вольт не позволило применить схему с управлением током на биполярном транзисторе. Поэтому сделали как смогли – зарядка через полевик и ограничением тока на резисторах + схема контроля напряжения которая закрывает полевик при достижении заветных 4,22 в. Но надо заметить что схема, несмотря на свою простоту, довольно точно выдерживает верхний порог напряжения заряда и полностью отключает зарядку при достижении 4,22В. Никаких перезарядов струйным током нет, так что за зарядку банок опять же можно не беспокоиться.

Это все что мне хотелось сказать относительно тестов данного банка. В целом все неплохо, завяленным функционалом банк обладает, явных недостатков я не обнаружил. Итог – можно брать и пользоваться и не забыть завести хороший кабель.

Теперь несколько слов о минусах и «доработке напильником». Любителям паяльников, думаю, будет интересно, всем остальным продолжение можно не читать.
Разбирая работу павербанка, были обнаружены некоторые мелочи, которые захотелось тут же исправить чисто из интереса.

Что мне не понравилось:
— для токов более 2А на плате слишком тонкие проводники, неизбежны потери. Переходные отверстия с одной стороны платы на другую для таких токов совсем крошечные, но с этим ничего не поделаешь.
— мне не очень понравился дроссель. Да он работает, и вроде даже не насыщается, но при больших токах сильно греется – велики омические потери. Опять же, это не критично при токах в 1А для зарядки одного телефона, но с ростом тока это влияет на КПД.
— выходное напряжение бустера равно точно 5 В. С учетом потери на шунтах будет уже меньше 5 В, а в проводах вообще может просесть столько что окажется что 2х амперная зарядка почему-то быстро «не заряжает».
— зарядка самого павербанка – ток зарядки очень мал. От фирменной зарядки HTC у меня получилось около 650мА, от мощной самоделки способной отдавать 3 ампера вытягивалось менее 1А. Заряжать 4 банки даже по 1,5Ач током в 650мА это совсем печально, а если поставить в банк 4 санио по 2,6 то и вообще бессмысленно – с этим надо что-то делать.

Итак, я решил поменять дроссель, немного поднять выходное напряжение и существенно поднять зарядный ток.
По стандарту USB, если не ошибаюсь, напряжение допускается в пределах 5,25В для USB2 и 5,5В для USB3. Немного подняв напряжение на выходе зарядки у меня будет запас на то что бы скомпенсировать падение напряжения в кабеле и дать возможность прожорливым устройствам тянуть нормальный ток. Так что будем ориентироваться на 5,25-5.3В на выходе.

Сначала я отпаял дроссель, чтобы не мешал, и стал искать где регулируется выходное напряжение. За это отвечают 2 резистора R40, R41 возле микросхемы ШИМ.



Там установлены резисторы на 3 и 1 кОм, что при 5 вольтах на выходе дает 1,25В на управляющей ноге ШИМ. Я выпаял эти резисторы и на их место впаял 2 других номиналами 15 и 4,7 кОм, которые вытащил с какой-то старой материнки.



Теперь дроссель – на плате установлен дроссель на гантельке в закрытом корпусе номиналом 10 мкГн. На его место я решил поставить тороидальный дроссель, намотанный на колечке с той же старой материнской платы. Мне попалось зелено-синее колечко из порошкового железа. Эти колечки прекрасно работают на больших токах и частотах до 0,5МГц – то что надо. По расчетам для индуктивности в 10мкГн на нем нужно было намотать 18-19 витков, я намотал 20 медным проводом, по толщине как раз чтобы заполнить колечко.
Также я припаял «забытый» диод D3 вверху платы у входного разъема. Там есть второй диод с другой стороны платы, получается что они включены параллельно. Пусть будет и этот тоже, это распараллелит входной ток с microUSB разъема, что не помешает при увеличении зарядного тока банка.

Получилось как-то так:


Теперь зарядка. Как я уже говорил — с ней все интересно. Входной ток с microUSB разъема проходит через защитные диоды, и затем через резисторы и МОП подается на банки аккумов. Минусы всего этого — жуткая неэффективность. Входное напряжение, после просадки на кабеле, теряет на диоде пол вольта и еще какую-то часть теряет на резисторах. Все это превращается в тепло. Номинал и ток этих резисторов, видимо, подобран с учетом того чтобы они не сильно грелись ибо smd и тепло отводить особо некуда.



Все что нужно сделать чтобы поднять ток заряда – это уменьшить балластное сопротивление. Но тут есть одно «но» — мощность, рассеиваемая на этих резисторах, пропорциональна квадрату тока зарядки и тут главное не переборщить. Я выпаял все эти smd резюки и на их место впаял металлопленочный выводной резистор номиналом 0,39 Ом и мощностью 2 Вт.



Замеры показали что при нормальном непросевшем напряжении на входе зарядный ток лежит в пределах 2,3А в начале зарядки, когда аккумы голодные. И постепенно ток падает примерно до 1А в конце заряда — по-моему неплохо. При установленных 4 аккумах им ничего не грозит, зарядный ток будет ~0,6A на банку максимум. Еще больше поднимать ток смысла нет. Резистор итак сильно греется, да и портативных зарядок выдающих более 2А не так много. От слабых зарядок все работает прекрасно — напряжение проседает, ток падает и всё само приходит в равновесие. HTC зарядка через нормальный провод кормила банк током в районе 1 ампера.

Дабы подстраховаться от сильно греющегося резистора я наклеил на крышку, в то место где он установлен, полоску алюминиевой фольги. Не идеал, но немного поможет распределять тепло по крышке.
Потестировал после всех модов – общие впечатления положительные. Дроссель меня порадовал – сам по себе вообще не греется, даже при максимальной нагрузке. Я припаял его прямо к выводу бустерного диода чтобы отводить с него тепло на проволоку. От диода он постепенно нагревается, но не так сильно как оригинальный дроссель грелся сам по себе.
Напряжение на выходе бустера получилось 5,3В. Чуток больше чем я рассчитывал, сказались погрешности, но не смертельно. К тому же 50-100 мВ как раз упадет на шунте. Повышенное напряжение весьма благоприятно сказалось на компенсации потерь в усб-кабеле.



Замеры уже после модификаций

Rload Vin Iin Vusb Vboost V Rload I Rload КПД % 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

Показательна последняя строчка – перегруженный банк понижает напряжение чтобы ограничить ток, но при этом заметно вырос КПД по сравнению с передыдущим результатом. Это я подпаял короткий провод к «плюсу» usb разъема и за счет этого заметно сократились потери в кабеле.
Ну а в общем получается неплохо. Я выиграл несколько процентов КПД при больших токах за счет дросселя – мелочь, но приятно :)

В заключение пару слов о практическом использовании. Банк у меня недавно, поэтому богатого опыта использования еще нет. Я не знаю где народ берет планшеты которые жрут большие токи по usb, из тех что нашлись у моих друзей ни один быстро от usb не заряжался, не зависимо от типа подключенной зарядки. Поэтому на вопрос, как банк заряжает планшеты — ничего не скажу. Пару смартфонов одновременно заряжает на ура, по замерам ток получается около 1,5-1,7А. Ездил с ним в командировку с весьма «болтливым» коллегой – вот там банк порадовал, он исправно кормил наши смартфоны в течение дня. Коллега был очень рад – столько в роуминге на корпоративный телефон он еще никогда не выговаривал. :)
По емкости особо сказать нечего – КПД известен, емкость банок известна, можно прикинуть на что и сколько хватит заряда. У меня стояли 4 банки по 1,5 Ач, этого хватало чтобы 2 раза зарядить прожорливый оптимус и один раз неполностью зарядить HTC. Маловато — надо ставить аккумы по 2,5 Ач.

P.S. Прошу не разводить в каментах троллинг на тему «нафига вся эта возня, я вот знаю хороший павербанк на 3 бакса дороже». Я занимался этим из интереса в свободное время, а не ради экономии.