Пауэрбанк без функции автоматического отключения своими руками: зачем он нужен и какие компоненты нужны для сборки

 С древних времён так повелось, что пауэрбанки (далее по-народному повербанки) имеют функцию автоматического выключения, если нагрузка слишком мала или совсем не подключена. Обычно порог автоматического отключения по току выхода в повербанках находится на уровне 40-80 мА.

Функция автоматического выключения повербанков в большинстве случаев — полезна, так как позволяет экономить энергию аккумулятора при простоях; но бывает и вредна, если нагрузка сама по себе слабая или работает с перерывами.

В статье будет рассмотрена сборка своими руками повербанка без функции автоотключения; иными словами, powerbank always on.

Основная составляющая часть устройства — плата зарядки аккумулятора, совмещённая с DC-DC преобразователем:

Это — основная, но не достаточная часть.

Чего здесь не хватает и почему — далее в статье.

Необходимые компоненты для сборки повербанка Always On и сама сборка

Чтобы всё работало, как надо, в состав устройства должны входить следующие ингридиенты:

1. Контроллер заряда аккумулятора. Это — жизненно необходимая часть, поскольку неуправляемый заряд литиевого аккумулятора в чём-то сродни неуправляемой термоядерной реакции: последствия могут быть весьма плачевными.

2. DC-DC преобразователь, который будет преобразовывать напряжение аккумулятора (номинал для Li-ion аккумуляторов 3.7 В) в какое-то более полезное для потребителя напряжение. В типовом случае это 5 В, но могут быть разные варианты.
Преобразователь должен иметь стандартные средства защиты от перегрева и короткого замыкания.

3. Плата защиты аккумулятора. Поскольку DC-DC преобразователь в этом устройстве будет работать всегда, то он сможет рано или поздно даже без нагрузки довести аккумулятор до глубокого разряда, а это ему крайне вредно. Плата защиты должна предотвратить такую беду.

4. Литий-ионный аккумулятор (ёмкость по вкусу).

5. Корпус (по вкусу).

Анализ наличия компонентов на небезызвестной площадке показал, что в природе существуют п.1 и п.2, объединённые на одной плате (её фото в диагональном ракурсе представлено в начале статьи).

Теперь разберём состав этой платы подробно.

На левой половине платы расположен DC-DC преобразователь, а на правой — контроллер заряда аккумулятора.

DC-DC преобразователь (постоянного тока в постоянный) основан на чипе SDB628 (маркировка B628). Это — точный клон суперпопулярного MT3608 (и этот клон — далеко не единственный).

Наиважнейшим преимуществом этого чипа является крайне низкий ток потребления на холостом ходу: максимум 200 мкА, типовой — 100 мкА. То есть, никакого физического отключения DC-DC преобразователя в перерывах между работой не требуется; его потреблением можно пренебречь.

Напряжение выхода DC-DC преобразователя — регулируемое. К сожалению, для регулировки используется не многооборотный подстроечный резистор, а самый обыкновенный. Из-за этого довольно трудно установить нужное напряжение на выходе с хорошей точностью; у меня получилось установить 5 Вольт примерно с 5-ой попытки. Тем не менее, «миссия выполнима».

Чип SDB628 (MT3608) допускает входной ток в рабочем режиме до 2 А. Если учесть, что КПД преобразователя — не 100%, а напряжение на аккумуляторе в конце разряда может снижаться до 3.2 В; то максимум, на что можно рассчитывать на выходе при стандартном напряжении 5 В — это около 5 Вт мощности, т.е. ток выхода — до 1 А.

Для работы в качестве повербанка с целью подзарядки смартфонов это — маловато будет; но в данном случае от устройства требуется работа именно с малыми потребителями энергии, и для этих целей тока 1 А на выходе будет вполне достаточно.

В любом случае возможность установки произвольного напряжения рассматриваем как несомненный плюс для платы, ибо не всегда потребителю могут требоваться именно 5 В.

Контроллер зарядки литий-ионных аккумуляторов на этой плате основан на чипе TP4056 (маркировка 4056). Этот чип — тоже крайне популярный, правда, только для устройств без поддержки «быстрой зарядки» (QC).

Всем хорош этот чип, но вот индикация у него примитивная. Он может показывать только «зарядка идёт» и «зарядка окончена». Соответственно, именно эти два светодиода в конструктиве SMD и установлены на плате. Светодиод «зарядка идёт» — красный, «зарядка окончена» — зелёный. Чтобы их было видно, устройству потребуется прозрачный корпус или корпус с окошечком. Эта задача будет блестяще решена. :)

Чип позволяет регулировать ограничение тока зарядки с помощью резистора от вывода 2 на землю. На плате установлен резистор номиналом 1 кОм, что соответствует максимально-допустимому току для чипа в 1.2 А.

Для зарядки аккумулятора можно подключить питание к плате как через USB кабель (разъём микро-USB имеется на борту), так и припаяв отдельный кабель для подачи питания (контактные отверстия, параллельные разъёму микро-USB, тоже предусмотрены).

Следующий ингридиент — плата защиты аккумулятора.

Плата защиты — очень маленькая и недорогая.

Она выполняет множество функций: защита от перезаряда и переразряда, от превышения токов заряда или разряда, от короткого замыкания со стороны аккумулятора или с внешней стороны.

Но в нашем устройстве от неё будет требоваться только одна из этих функций: защита от переразряда. Остальные функции — на совести контроллера заряда и DC-DC преобразователя.

Следующий ингридиент — литий-ионный аккумулятор.

В этом качестве был выбран аккумулятор формата 14500 за свои малые габариты: он без проблем должен был поместиться в намеченный для устройства корпус.

Аккумулятор имеет приваренные выводы из никелевой ленты, что удобно для его соединения пайкой с другими компонентами устройства.

Выбор именно этого аккумулятора оказался ошибкой; но об этом — позже.

Для подачи напряжения на вход и подключения нагрузки на выход конструируемого повербанка использовался разрезанный пополам кабель-удлинитель USB. Разъём «папа» использовался для зарядки повербанка; а «мама» — для снятия с него полезной мощности.

В итоге получился такой действующий макет устройства:

Плата защиты была припаяна непосредственно к контактам аккумулятора, затем припаяна совмещённая плата контроллера заряда и DC-DC преобразователя, а затем — кабели входа и выхода.

После проверки функционирования вся эта конструкция была упакована в корпус, в качестве которого использовалась (барабанная дробь!) коробка от магнитофонной кассеты. Вуаля:

Главное, за что был выбран именно такой необычный корпус, — это наличие прозрачной крышки, через которую видно состояние светодиодов на плате контроллера.

Так выглядит получившаяся конструкция в процессе собственной зарядки (заметно свечение красного светодиода):

Аккумулятор и плата контроллера зарядки для надёжности были закреплены в корпусе жирными каплями прозрачного герметика; а плата защиты аккумулятора так и осталась висеть на контактах аккумулятора без дополнительного крепления (за ненадобностью).

Габариты корпуса коробки от кассеты позволяют разместить в ней даже не один, а 2-4 аккумулятора формата 14500, соединённых параллельно, и, тем самым, увеличить ёмкость повербанка. Но надо не забывать перед параллельным соединением аккумуляторов выравнивать в них напряжение, иначе могут быть неприятности из-за сильнейших токов, перетекающих от хорошо заряженных аккумуляторов к слабо заряженным.

Кроме того, надо иметь в виду, что существуют два типоразмера коробок для кассет: тонкие (толщиной 14.5 мм) и толстые (16.6 мм). Для аккумуляторов 14500 (диаметр 14 мм, длина 50 мм) подойдёт только толстая коробка.

Переходим к главному разделу обзору — тесту получившегося устройства.

Тест постоянно включенного повербанка (always on)

Сначала обсудим вопрос пределов регулировки выходного напряжения.

Для этого вспомним, что DC-DC преобразователь повербанка — повышающий, вследствие чего получить на выходе напряжение ниже, чем есть на аккумуляторе, в принципе невозможно. А напряжение полностью заряженного литий-ионного аккумулятора составляет 4.2 В. Это и есть нижний предел регулировки выходного напряжения.

Верхний предел регулировки был установлен экспериментально, он составил составил 27.6 В.

Исходя из того, что мощность на выходе в режиме повербанка на должна превышать 5 Вт; ток при максимальном напряжении 27.6 В не должен превышать 180 мА. Для остальных напряжений можно посчитать по формуле I=W/U, где W — допустимая мощность (5 Вт), U — напряжение на выходе.

Ток холостого хода всех компонентов в сборе, потребляемый от аккумулятора, составил 158 мкА.

Теперь — несколько осциллограммок.

Первая — напряжение на индуктивности DC-DC преобразователя без нагрузки на выходе (напряжение на выходе — 5 В; напряжение на аккумуляторе — вблизи номинала (3.7 В):

На холостом ходу (без нагрузки на выходе) на индуктивности время от времени проскакивают одиночные импульсы для поддержания выходного напряжения на заданном уровне.

Теперь — осциллограмма в этом же месте схемы при нагрузке на выходе 1 А:

При реальной нагрузке импульсы, естественно, становятся непрерывными.

Далее — осциллограмма пульсаций на выходе:

Пульсации на выходе получаются не маленькими, полный размах составляет свыше 250 мВ. Это значит, что если предполагается питать от этого повербанка какую-либо чувствительную к пульсациям аппаратуру, то хорошо было бы на выход повербанка дополнительно напаять электролитический конденсатор ёмкостью хотя бы 100 мкФ (больше — лучше).

 Теперь — тепловой снимок главной платы устройства в режиме выхода 5 В / 1 А:

Нагрев чипа DC-DC преобразователя и выпрямительного диода — очень сильный, почти до 100 градусов. Так что превышать мощность выхода в 5 Вт точно не надо.

Теперь — к самому печальному пункту программы испытаний: проверке ёмкости применённого аккумулятора.

Проверка проводилась с помощью USB-тестера; и она показала, что при зарядке аккумулятора с нуля в него втекает всего лишь  314 мАч! Хотя на нём самом указана ёмкость 2300 мАч!!!

Я, конечно, догадывался, что поместить ёмкость 2300 мАч в корпусе такого типоразмера физически невозможно, и был морально готов увидеть ёмкость в 2-3 раза меньше. Но она оказалась меньше в 7 с лишним раз! Приличных комментариев просто нет.

Полностью заряженный повербанк смог отдать в нагрузку ёмкость 197 мАч (при токе нагрузки 200 мА); КПД оказался около 63%, что не слишком много, но приемлемо.

В общем, я уже заказал вместо этого аккумулятора другой, с ёмкостью 900 мАч; про который в отзывах писали, что ёмкость — почти честная.

Итоги и выводы

Конструкция в итоге получилась хотя и сильно не стандартной, но вполне работоспособной, удобной и позитивной.

Конечно, описанный опыт изготовления своими руками повербанка без автоматического выключения — это не окончательная и бесповоротная рекомендация, что и как делать, а только общее направление действий.

Единственная более-менее настоятельная рекомендация — это использование в качестве DC-DC преобразователя чипа MT3608 (или его клонов). Этот чип отличается очень малым потреблением на холостом ходу, что избавит авторов подобных конструкций от необходимости устанавливать физические выключатели для предотвращения разряда аккумулятора в перерывах между полезной работой повербанка.

И, конечно, надо более критично, чем это сделал я, подходить к выбору аккумулятора (-ов) для повербанка. :)

Применение такого рода повербанков позволит полностью зарядить устройства с небольшими собственными аккумуляторами (смарт-часы, Bluetooth-наушники) или поддерживать питание устройств с низким потреблением (например, микромощное дежурное освещение).

Комбинированная плата контроллера зарядки литиевого аккумулятора и DC-DC преобразователя была куплена на Алиэкспресс здесь. Цена на дату составления обзора — чуть больше $1 с учётом доставки (в дальнейшем может меняться).

Плата защиты аккумулятора была куплена на той же площадке здесь. Цена — аналогично, чуть выше $1 с учётом доставки.

Реклама. ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН 7703380158

Обзор платы защиты — здесь.

Осциллограммы снимались с помощью цифрового осциллографа Fnirsi-1013D (тоже со своеобразным подходом к декларированию технических характеристик, обзор).

Теплоснимок был сделан тепловизором Uni-T Uti120Mobile (обзор).

 Всем спасибо за внимание!