Павербанк + зарядний пристрій на 4 акумулятори формату 18650

По суті, цей пристрій уже досить давно присутній на ринку, але в цьому випадку він продається під брендом Tlife.
Є чотири версії пристрою: чорного й білого кольору, а також із акумуляторами в комплекті та без них.
Мені дістався варіант без акумуляторів, оскільки в магазину є певні труднощі з пересиланням акумуляторів.

Заявлені характеристики:
Можливість заміни батарей
РК-дисплей
Керування мікроконтролером
Захист від перезаряджання
Захист від короткого замикання

Ємність — 53.3 Вт·год
Вхід — 5 В, 1 А
Вихід — 5 В, 1 А та 2 А
Саморозряд — 2 мА·год на добу.


До комплекту входять:
1. Powerbank Tlife
2. Кабель USB-microUSB
3. Інструкція


Інструкція хоч і англійською, але дуже докладна. Хоча, як на мене, з таким пристроєм можна розібратися й інтуїтивно.


Кабель USB-microUSB короткий, близько 30 см. Інформаційні лінії відсутні, тобто кабель призначений лише для заряджання. Роз’єми вставляються дуже щільно.


Вище я писав, що корпус буває у двох кольорах, я вибрав білий.
Розміри — 130х83х25 мм. На мій погляд, пристрій доволі габаритний.


Знизу також зазначено назву магазину Tmart, оскільки ці пристрої продаються під його торговою маркою.


Порожній корпус доволі легкий — 116 грамів, з акумуляторами важитиме близько 300 грамів (4 акумулятори × 45 грамів).


Спереду розташований дисплей, причому матричний, що доволі несподівано. Зазвичай на екрані просто заздалегідь підготовлені піктограми. Підозрюю, що цей дисплей додав відчутну частку до вартості пристрою.
Ззаду — роз’єми та кнопка ввімкнення.
1. Кнопка ввімкнення. Узагалі пристрій уміє вмикатися автоматично під час підключення навантаження, але іноді навантаження не може відразу «підхопити» струм заряджання, тому кнопка може стати в пригоді. Принаймні один пристрій у мене вимагав натискання цієї кнопки.
2. Виходи на 2 А та 1 А — під час розбирання стане зрозуміло, чим вони відрізняються.
3. Вхід microUSB для заряджання самого повербанка.


Верхня кришка зсувається назад, відкриваючи доступ до відсіку для акумуляторів. У двох положеннях кришка фіксується надійно.


Плюсові контакти трохи втоплені всередину корпусу, але надійний контакт є навіть з акумуляторами з плоским плюсовим контактом. Саме такі акумулятори й використовувалися під час тестування.
Мінусовий контакт виконаний у вигляді пружин, що має і плюси, і мінуси.
Плюс у тому, що пружини забезпечують притискання акумуляторів різної довжини (із захистом і без нього).
Мінус — великий опір цих пружин, цей параметр я виміряю пізніше.
Пружини добре тримають акумулятори: під час тестування повербанк у мене часто був «догори дриґом», але акумулятори жодного разу навіть не спробували випасти.


Під час тестування я використовував акумулятори Sony VTC4, які фігурували в моєму огляді акумуляторів.


Трохи про режими роботи та індикацію.
1. Під час увімкнення (кнопкою чи автоматично) відображається напис — Power-on
2. У режимі заряджання є анімація процесу, але вона не прив’язана до напруги чи відсотка заряду: є анімація — акумулятори заряджаються, немає анімації — акумулятори заряджені. Для кожного акумулятора анімація окрема.
3. Без навантаження відображається рівень заряду акумуляторів.
4. Тут рівень заряду відображається окремо для кожного акумулятора. Хоча, з огляду на те, що акумулятори фактично з’єднані паралельно, доцільність такого рішення сумнівна. Якщо вийняти якийсь акумулятор, піктограма у відповідному місці зникне.
5. Під час живлення підключених пристроїв відображається анімація підключеного роз’єму, а також струм заряджання. Час від часу на короткий час показується рівень заряду акумуляторів. За замовчуванням дисплей увімкнений постійно; коротким натисканням кнопки ввімкнення можна вимкнути підсвічування.
Оскільки повербанк має функцію автоматичного ввімкнення, а також автоматичного вимкнення, я перевірив, як він поводиться з малопотужними навантаженнями. У моєму випадку за струму заряджання 0.05 А все працювало, але за меншого струму заряджання пристрій вимкнеться, тобто заряджати дуже малопотужні пристрої буде складно, вимкнення може статися раніше, ніж буде досягнуто 100% заряду.


Переходимо до тестів та інших експериментів.
Спочатку покажу відповідність відображуваного струму заряджання реальному.
За допомогою електронного навантаження я перевірив пристрій у діапазоні струмів 0.5-2.5 Ампера з інтервалом 0.5 Ампера.
Як видно на фото, вимірювач завищує покази.


Вихідна напруга під максимальним струмом навантаження просіла до 4.92 Вольта, хоча на індикаторі Повербанка вона була в діапазоні 5.06-5.05 Вольта. Цей ефект зумовлений схемотехнікою пристрою, але в будь-якому разі і 5.06, і 4.92 перебувають у допустимому діапазоні 4.75-5.25 Вольта.


За струму навантаження понад 2 Ампери спрацьовує захист від перевантаження, і вихід Повербанка вимикається. Це відбувається дуже швидко — навантаження навіть не встигло це зафіксувати, але завдяки інерційності дисплея Повербанка вдалося сфотографувати струм перед вимкненням.


Кілька тестів у ситуаціях, наближених до реальних, і сила струму залежно від підключеного виходу.
1, 2. Смартфон. Тут я припустився невеликої помилки, оскільки заряджав «повним» кабелем; із комплектним струм був однаковий. Це сталося через те, що з повним кабелем зарядний пристрій телефона сам знижував струм заряджання. Причому під час підключення інших навантажень цей ефект не проявлявся.
3,4. Планшет PIPO: в обох варіантах струм був близько 0.9 Ампера, від рідного зарядного пристрою струм становив близько 1.8-2 Ампер.
5,6. Планшет CUBE (андроїд). Цей планшет може без проблем брати від зарядного пристрою струм 2 Ампери, але в першому роз’ємі (1 А) струм був перевищений, а в другому (2 А) обмежений самим планшетом на рівні 0.5 Ампера.


1, 2. Потужний планшет Teclast. У цьому випадку планшет був повністю розряджений, і Повербанк переходив у захист під час підключення до будь-якого гнізда. Думаю, багатьом знайома ситуація, коли повністю розряджений планшет після підключення до зарядного пристрою намагається ввімкнути екран, а потім починає циклічно вимикатися. Тут відбувалося приблизно те саме, але вимикався сам Повербанк.
3,4. Але якщо залишити все так надовго, планшету набридає вимикатися, і він починає заряджатися струмом 0.45 Ампера. Приблизно через кілька хвилин заряджання в такому режимі я перемкнув його в другий роз’єм (2 А), і далі заряджання пішло нормально — струм 2.24 Ампера.
До речі, роз’єми дуже легко запам’ятати: перший — струм 1 Ампер, другий — 2 Ампери, тобто 1-1, 2-2.
5,6. Сучасніший смартфон, який може заряджатися струмом до 2 Ампер. У першому випадку спрацьовує захист, у другому струм заряджання становить лише 0.91 Ампера. Тут я не міг підключити кабель, що йшов у комплекті з Повербанком, оскільки смартфон має роз’єм USB-C і заряджається через власний кабель. Думаю, що під час використання звичайного (не інформаційного) кабелю в другому роз’ємі струм заряджання становитиме 2 Ампери.


Перший етап тестів завершено, переходимо до розбирання й аналізу нутрощів.
Пристрій розбирається дуже просто. Спочатку трохи відгинаємо верхню кришку й знімаємо її. Робити це потрібно, коли кришка повністю відкрита.
Потім вставляємо щось гостре між половинками корпусу й роз’єднуємо його. Пластмаса корпусу дуже якісна, досить еластична, тому зламати її складно.


Виходить, що корпус складається з трьох частин + плати, але є ще кнопка, яка постійно норовить випасти й загубитися, тож будьте уважні.


На перший погляд, усе дуже акуратно.


Але при уважнішому огляді видно сліди флюсу, а також місцями не дуже акуратне паяння. Зрозуміло, що на працездатності це особливо не позначається, але дає змогу зробити загальні висновки про культуру виробництва.
Нагадаю, усі фото клікабельні.



Елементів на платі чимало. Видно мікроконтролер, окремі зарядні пристрої тощо. Також відзначу велику кількість пасивних радіоелементів.


1. Мікроконтролер PIC16F1933 виробництва Microchip.
2. Окремі зарядні пристрої, реалізовані за допомогою аналогів/клонів LTC4054. Тут усе просто: поруч розташований резистор 2.2к, відповідно, струм заряджання становить близько 0.5 Ампера. На самому початку я писав характеристики Повербанка, і там було зазначено, що вхідний струм — до 1 Ампера, а насправді — до 2 Ампер; це потрібно враховувати під час вибору блока живлення.
3. Мікросхема підвищувального перетворювача DC-DC. Застосовано досить відому G5177C. Згідно з даташитом вона забезпечує тривалий вихідний струм 2,1 Ампера та гарантований короткочасний струм 3 Ампери. Робоча частота — 500кГц.
4. Вихідні роз’єми USB. Саме тут і криється секрет відмінності вихідних струмів. Інформаційні контакти підключені по-різному, тому під’єднані пристрої встановлюють різні струми заряджання.
5,6. Але, крім різного розпаювання інформаційних контактів, є й «апаратні» відмінності. Біля кожного роз’єму розташований польовий транзистор, який підключає цей роз’єм, але, крім нього, є ще й вимірювальний шунт. Для першого роз’єму шунт має опір 0.1 Ома, для другого — 0.05 Ома.

Виходить, що за вихідним струмом стежить мікроконтролер, але сам вихідний струм визначається розпаюванням роз’ємів і логікою роботи споживача. Власне, тому іноді й виникає ситуація, коли павербанк може, а споживач не хоче, і навпаки: споживач готовий забрати 2 Ампери, а павербанк не може забезпечити такий струм на першому роз’ємі. Кабель без інформаційних жил частково може розв’язати цю проблему, але, на мій погляд, дуже бракує «розумних» контролерів, які самі можуть виставляти відповідні сигнали на інформаційних лініях. Причому не так важливо, чи «вмітиме» павербанк працювати в режимі QC, — навіть без такої функції контролери були б дуже доречними.

Окремо зазначу, що навіть за можливості «програмного» вимкнення DC-DC перетворювача пристрій уміє вимикати навантаження окремими транзисторами, причому незалежно.


Мікросхему перетворювача ввімкнено так, як показано в даташиті, тому під час визначення максимального вихідного струму я спирався на ці дані.


Зі зворотного боку плати майже немає елементів, більша її частина порожня.


Біля USB-роз’ємів розташовані дросель і діод. Параметри дроселя відповідають опису мікросхеми перетворювача, призначення діода покажу пізніше.
А от пружини мені зовсім не сподобалися: виходить надто довгий відрізок дроту.


Я не став малювати повну принципову схему, бо не бачив у цьому сенсу, але покажу принцип побудови цього павербанка.
Спочатку живлення надходить до чотирьох однакових зарядних пристроїв, які заряджають акумулятори незалежно від решти елементів схеми.
За допомогою чотирьох діодів (D2-D5) реалізовано захист від встановлення акумулятора з неправильною полярністю. Також завдяки цим діодам мікроконтролер може незалежно стежити за напругою кожного акумулятора.
Після діодів напруга надходить на підвищувальний перетворювач, який забезпечує на виході 5 Вольт зі струмом до 2.1(3) Ампера. Мікроконтролер керує роботою перетворювача, періодично вмикаючи його на короткий час. Цей режим потрібен, щоб визначати підключення навантаження й автоматично вмикати павербанк.
Мінусовий контакт USB-роз’ємів підключений через ключовий транзистор і вимірювальний шунт. Напругу на шунті вимірює мікроконтролер, а на екран виводяться дані про споживаний струм. Транзистор вимикає навантаження в разі перевищення струму, ним керує мікроконтролер.
Вихідну напругу також вимірює мікроконтролер, але оскільки між мінусом USB-роз’єму та мінусом решти схеми є шунт і транзистор, на індикаторі ми бачимо стабільні 5.06 Вольта, а насправді за струму 2 Ампери на виході лише 4.92: різниця падає на цих елементах. Це принципове обмеження, тому індикатор павербанка — радше просто показометр.

Окремо зазначу, що, крім функції незалежного заряджання акумуляторів, а також незалежного керування виходами й захисту, пристрій має функцію UPS, тобто може заряджати акумулятори й живити навантаження незалежно. Коли до павербанка підключено живлення, вхідні 5 Вольт через окремий діод (D1) надходять на вхід перетворювача, а оскільки ця напруга вища, ніж напруга від акумуляторів, живлення здійснюється від зовнішнього БЖ.

Мене часто запитують, як зробити простий безперебійник на 5 Вольт. Ось типовий приклад: зарядний пристрій на базі TP4054 (4056), два діоди (для одного акумулятора) і підвищувальний перетворювач.

Загалом схемотехнічне рішення пристрою «лобове», тобто без жодних хитрощів: усе просто й прозоро. Мінус такого рішення — низький ККД, адже діодна розв’язка є зайвим споживачем енергії.


Щоб оцінити ККД пристрою, я вирішив порівняти реальну ємність акумуляторів із тією, що віддається в навантаження. Для цього я навантажив пристрій струмом 1.5 Ампера й установив два акумулятори.
За моїми даними, ємність акумуляторів становить близько 7.3 Вт·год, відповідно, два акумулятори дадуть 14.6 Вт·год.
Одразу скажу: ККД залежить від струму навантаження та кількості встановлених акумуляторів, тому за меншого струму й установлення чотирьох акумуляторів ККД буде трохи вищим.


На виході я отримав 11.46 Вт·год, що дає ККД близько 78.5%.


Як ви розумієте, мені захотілося більшого, тому я купив ефективніші діоди 30BQ015. У рідних падіння напруги становило близько 0.34 Вольта, а на нових за того самого струму падало 0.24 Вольта. Хотів купити діоди з падінням напруги близько 0,15 В, але в продажу їх не виявилося :(


Для експерименту я спочатку впаяв пару діодів. Вони помітно більші, а контактні майданчики для них не розраховані, тож довелося спочатку залудити контакти діодів, а потім, прогріваючи, «усадити» їх на місце.


Результат став кращим, хоча й ненабагато. Замість 11.46 я «скачав» 12.03, ККД становив 82.4%


Під час тестування я контролював температуру компонентів: старі діоди нагрівалися до 80 градусів (усі тести проводилися наприкінці розряду, за найбільшого струму), нові — лише до 54.4. Мікросхема перетворювача нагрівалася всього до 56.6 градуса, що, на мій погляд, дуже добре.
До речі, на відміну від польових транзисторів, установлених у мікросхемі перетворювача та на виході, падіння напруги на діодах зменшується з підвищенням температури. Тобто що вища температура діода, то менше на ньому падає напруга, тому висока температура діода — це не завжди погано.


Замінивши діоди, я трохи підвищив ККД, але, як завжди, хотілося більшого.
Спочатку я з'ясував, що на доріжках до діодів падає близько 0.02 В, і стільки ж — на доріжці від дальнього діода до перетворювача. Разом загальне падіння становить 0.04 В.
Продублював доріжки проводом перерізом 0.5 мм.
Заодно, як невелике доповнення, установив ще один конденсатор перед перетворювачем (просто тому, що для нього було вільне місце), захисний діод на вході 5 В (для нього теж було місце, до того ж діод залишився після заміни) і трохи підкоригував струмовимірювальний шунт другого каналу, припаявши паралельно резистор 1 Ом.


Але ще більше я здивувався, коли виміряв падіння напруги на пружинах для акумуляторів: 0.17 В! Це більше, ніж я виграв завдяки заміні діодів і пропаюванню доріжок.
Взявши провід, я продублював пружини. Звісно, для цього краще використовувати дуже гнучкий провід, на кшталт того, що застосовують у щітках електроінструментів, але довелося взяти звичайний.


Ефект виявився досить значним, ККД зріс до 87.6%.
Отже, падіння напруги на різних ділянках до і після переробки становило:
Пружини — доріжка до діодів — діоди — доріжка після діодів
0.17 - 0.02 - 0.34 - 0.02 = 0,55 В !!!
0,05 - 0,003 - 0,24 - 0,004 = 0,3 В.

Причина підвищення ККД полягає не стільки в тому, що пристрій тепер вимикається за нижчої напруги на акумуляторі, скільки в тому, що напруга на вході перетворювача тепер вища. Відповідно, зі зростанням напруги зменшується споживаний струм на вході, а отже, енергія використовується ефективніше.


Передбачаю наступне запитання: що ще можна поліпшити? Та небагато. Максимум — застосувати діоди 95SQ015, але вони дорожчі, та й ККД зросте не дуже сильно. Можна ще замінити вихідні ключові транзистори, але в деяких ситуаціях це взагалі нічого не дасть.
ККД самої мікросхеми становить близько 94% за живлення 3.5 В і струму навантаження 1.5 А. У моєму випадку вийшло близько 87.6%, різниця — 6.5%. Звісно, це чимало, але, на жаль, подальші способи дорогі й не такі ефективні.


Чому я не використав замість діодів відому схему захисту з польовим транзистором? Річ у тім, що ця схема не підходить із двох причин:
1. Вона працює лише з одним акумулятором. Якщо з'єднати хоча б дві такі схеми, то, якщо хоча б один із двох акумуляторів буде вставлений правильно, другий транзистор також відкриється.
2. Оскільки транзистор відкривається від напруги на виході, організувати функцію «безперебійника» не вдалося б.


Мене іноді запитують, як зробити простий «безперебійник» на 5 В. Як один із варіантів можна застосувати спрощене рішення, використане в цьому повербанку.
Як то кажуть, викиньмо все зайве й залишмо тільки необхідне.


На цьому, мабуть, усе. Єдине, чого я не перевірив, — це споживаний струм у режимі очікування. Але оскільки споживання має імпульсний характер, виміряти його не дуже зручно.

Переваги.
Зручна конструкція
Незалежне заряджання акумуляторів
Підтримка функції «безперебійника»
Захист від перевантаження та короткого замикання виходів
Захист від переполюсування акумуляторів
Наявність дисплея

Недоліки.
Не дуже ефективна схема, великі втрати на розв'язувальних діодах.
Великі втрати на пружинах до мінусових клем акумуляторів.
Автоматичне вимкнення за споживаного струму нижче 0.05 А — підійде не для всіх пристроїв. Або треба заряджати два пристрої одночасно.
Невелике власне споживання.

Моя думка. Наскільки можу судити, цей повербанк — доволі непоганий «конструктор» для доопрацювання, але в готовому вигляді він не надто ефективний, оскільки має низький ККД.
Приємно тішить функція одночасного заряджання акумуляторів і живлення під’єднаного пристрою. Але слід враховувати, що в такому разі струм споживання самого повербанка буде трохи більшим за суму струму заряджання та струму навантаження. Наприклад: заряджання струмом 2 × 500 мА + навантаження 2 А + втрати на перетворенні = близько 4,5 А. Тому я б не радив використовувати такий режим із «важкими» навантаженнями, а також уважно поставитися до вибору блока живлення.
Також цей повербанк можна використовувати просто як зарядний пристрій для акумуляторів формату 18650.
Якщо хочеться швидко й ефективно його доопрацювати, достатньо підсилити дротом пружини та силові доріжки. Заміна діодів теж поліпшить результат, але вдвічі менше, ніж пропаювання доріжок і пружин.

На цьому все, сподіваюся, огляд був корисним.
Магазин запропонував купон TC01, з яким ціна має становити $12.99. Купон діє до 14 лютого.