Сделать себе внешний аккумулятор для ноутбука я желал уже давно, 3-4 года назад для работы в парке. Хоть и мечта рисовать схемы и трассировать платы в парке Неприятного либо Битцевском лесу так и не реализовались (до тех пор пока), но внешний аккумулятор (назовем его по-современному — PowerBank) я таки сделал. О том как это устройство проходило путь от макета до конечного изделия и из-за чего я делал то, что уже имеется на рынке, под катом.
Смотрите кроме этого: Брелок Griffin Travel Power Bank может зарядить Apple Watch четыре раза

За надёжным переходником BreakSafe для Apple MacBook компания Griffin объявила дорожный аксессуар Travel Power Bank, что является аккумулятором с совмещенной беспроводной зарядкой для умных часов Apple Watch. Travel Power Bank выполнен в форм-факторе брелока для ключей и разрешает перезарядить часы Apple четыре раза. С целью достижения этого результата Griffin разместила в корпуса зарядного устройства миниатюрную батарею на 800 мАч.

Travel Power Bank перезаряжается через micro-USB и оснащён единственной кнопкой для активации беспроводной зарядки.

Изначально я желал написать маленькую статью про разработку PowerBank, но в то время, когда начал — осознал, что одной частью не обойтись. Исходя из этого я разбил ее на 4 части и по сей день предлагаю вашему вниманию первую из них: макет (схемотехника).Разумеется, что разработка любого электронного устройства начинается с технического задания (ТЗ), исходя из этого я обозначил для себя последовательность параметров, каковые мой PowerBank обязан обеспечить:

• входное напряжение 19В (для возможности зарядки от стандартного ЗУ ноутбука)
• выходное напряжение 19В (как и у стандартного ЗУ)
• большой выходной ток 3,5А (как и у стандартного ЗУ)
• емкость ячеек не меньше 60Вт*ч (+1 внутренняя АКБ)

Кроме главных требований я добавил еще пара:

• КПД преобразователя и ЗУ не ниже 94% — дабы обойтись без радиаторов.
• Частота преобразователя не ниже 300кГц — дабы снизить размер самого преобразователя.
• USB порт для просмотра главных сведений о PowerBank таких как уровень заряда, здоровье, количество пройденных циклов, температура, напряжение и ток ячеек АКБ и т.д.
• Софт на ПК(Windows) для просмотра главных сведений о PowerBank.
• Возможность поменять выходное напряжение, или присутствие дополнительного выхода 5В для зарядки USB устройств.
• состояния и уровня Светодиодная индикация заряда PowerBank.
• Кнопка(Кнопки) для включения PowerBank и просмотра уровня заряда.

Для начала разработки я сделал структурную схему будущего устройства:Комментируя схему, могу заявить, что управляющий МК я имел возможность бы забрать с USB, но побоялся трудностей разработки ПО для USB (в последствие осознал, что напрасно) исходя из этого поставил преобразователь USART — USB.Потому, что устройство изначально разрабатывалось для себя, то было решено делать макет в основном из тех подробностей, каковые были у меня в наличии и с которыми я уже трудился (дабы избежать подводных камней). Наряду с этим оптимизация по цене на этом этапе не проводилась. Исходя из этого я выбрал следующие комплектующие для PowerBank:

1. МК — STM32F051K4U6 с прицелом заменить на STM32F042K4U6.
2. Преобразователь USARTUSB — CP2102. Стоит дешево, трудится нормально, места занимает мало, обкатанное ответ.
3. Импульсный преобразователь напряжения — LTC3780IG. Далеко не самый недорогой/хороший вариант, но повышающе-понижающий, может 400кГц, имеет внешние ключи, обкатанное ответ. В возможности замена на LM5175 от TI либо применения синхронного повышающего преобразователя.
4. Линейный стабилизатор — LP2951ACD-3.3. Он был в наличии, не лучший вариант. Ток собственного потребления до 120мкА с прицелом заменить на MCP1703T-3302E/CB с током собственного потребления до 5мкА.
5. Светодиоды зеленые и красные размером 0805.
6. Кнопки простые тактовые SMD.

Раздельно коснемся выбора зарядного устройства (ЗУ) и управления и системы контроля Li-ion аккумуляторная батареями (Li-ion Battery Management System либо BMS). Пара лет назад я занимался ремонтом ноутбуков и в батареях частенько видел BMS от Texas Instruments. Исходя из этого прежде всего я начал искать ответ для собственного устройства как раз от этого производителя.

Необходимо подчеркнуть, что в неспециализированном-то альтернативы и нет потому, что создаёт подобные микросхемы только пара контор (TI, Maxim, мало LT, ST-закинули, Intersil-экзотика для нас, может имеется еще, но я не знаю). Так вот бродя по просторам сайта ti.com я наткнулся на весьма занимательную микросхему BQ40Z60RHBR это ЗУ и BMS в одной микросхеме. Она мне весьма понравилась потому как заменяла собой 2 микросхемы.

Такое ответ очевидно дешевле, чем в случае если делать раздельно ЗУ и BMS и места меньше занимает. Главные ТТХ микросхемы BQ40Z60:

• Ток заряда: до 4А
• Количество ячеек: до 4х
• Частота преобразования: 1МГц
• Входное напряжение: до 25В
• Емкость ячеек: до 65А*ч
• Функция балансировки
• Конфигурируемые светодиоды для индикации (заряд, емкость)

Микросхема достаточно новая (выпуск финиша 2014 года), исходя из этого информации по ней мало и я мало переживал вследствие этого зная, что BMS от TI достаточно сложны в программировании, а это еще и комбо (ЗУ + BMS). Кроме этого мало переживал из-за вероятных косяках в кристалле, но зная, что буду применять только базисный функционал сохранял надежду, что никаких неприятностей не будет. Но забегая вперед сообщу, что так и вышло.Кстати я не напрасно до этого не сказал фактически ничего про ячейки и конфигурацию АКБ, лишь на данный момент ситуация согрела для перейти к выбору. Для оптимального выбора конфигурации АКБ имеется пара параметров:

1. Для уменьшения утрат на проводах необходимо минимизировать токи между узлами устройства. С учетом этого батарея из 4х последовательно соединенных ячеек (общепринятое обозначение 4s1p либо 4-serial 1-parallel) удачнее, чем 4 параллельные ячейки (1s4p) см. рисунок.
2. Потому, что ток заряда ограничен, то чтобы повысить мощность (и скорость) заряда АКБ мы должны увеличивать напряжение. Данный критерий также за конфигурацию 4s1p.
3. КПД преобразователя падает при росте отличия между входным и выходным напряжением. Вот график из документации на преобразователь MP2307DN.

С учетом того, что выходное напряжение устройства 19В снова же самая выгодной есть конфигурация 4s1p. Сейчас вычислим кое-какие параметры АКБ при условии емкости 60Вт*ч, конфигурации 4s1p (напряжение 14,8В):Полученная цифра показалась мне через чур маленькой (ну либо аппетит пришел на протяжении еды) и я решил перейти к конфигурации 4s2p на ячейках LP 5558115 3500mAh, каковые были в наличие. Итого мы имеем:Емкость АКБ: 7А*ч (103Вт*ч) Напряжение: 14,8ВТакой итог меня в полной мере устроил — это было больше, чем две внутренние батареи моего ноутбука (ASUS S451L, 46Вт*ч). Началась разработка макета…На этапе макета я желал заложить пара дополнительных возможностей:

• подключил светодиоды BQ40Z60. У них имеется функционал индикации уровня заряда с настраиваемыми порогами, и процесса зарядки.
• добавил возможность регулировать частоту/режим работы (разрывных либо неразрывных токов) преобразователя (посредством ШИМ МК + RC-фильтр).

Схему обвязки BQ40Z60 срисовал с отладочной платы BQ40Z60EVM-578, обвязка LTC3780IG из ее документации, все другое делал сам. В итоге оказалась следующая схема.Схема разбита на 3 блока:

• Блок преобразователя напряжения
• Блок ЗУ+BMS
• Блок управления на МК

Комментарии к схеме: блок преобразователя и ЗУ+BMS сделаны по схемам из документации [1],[2], блок управления делался из расчета реализовать дремлющий режим для минимального тока потребления в отключённом режиме. Забегая вперед сообщу, что в паре моментов я таки накосячил, но посредством паяльника и ножа смог вынудить макет трудиться как нужно. Полученная плата продемонстрирована ниже:Плата содержит 4 слоя по 18мкм, неспециализированная толщина 1мм, заказывал на seeedstudio.com.

Сейчас пришло время коснуться главного показателя качества железа — это КПД всей совокупности в целом. Правильнее у нас 2 КПД: при зарядке АКБ и при разряде. Строго говоря КПД при заряде стоит оптимизировать лишь для уменьшения нагрева устройства(рассчитывая, что энергии для заряда у нас большое количество), тогда как утрата КПД при разряде практически сокращает настоящую емкость PowerBank.

Составим список элементов конкретно воздействующих на КПД при заряде:ACFET — транзистор предотвращающий появление напряжения на разъеме внешнего питания при работе PowerBank от АКБ. самый — верхний транзистор понижающего преобразователя ЗУ.LowSideFET — нижний транзистор понижающего преобразователя ЗУ.BuckInductor — дроссель понижающего преобразователя ЗУ.CHGRCS — резистор датчика тока ЗУ.CHGFET — зарядный транзистор АКБ.DSGFET — разрядный транзистор АКБ.CellCS — резистор датчика тока АКБ.Транзисторы ACFET, CHGFET и DSGFET при работе имеют лишь статические утраты потому, что они неизменно открыты и являются резисторами с сопротивлением равным сопротивлению открытого канала транзистора Rds_on, исходя из этого эти транзисторы должны иметь как возможно меньший Rds_on.

Корпуса транзисторов я выбрал pqfn3.3×3.3 как подходящие по мощности и имеющие меньший размер если сравнивать с моими любимыми pqfn5x6. С мельчайшим сопротивлением канала из легкодоступных были IRFHM830D (Rds_on = 5мОм + диод Шоттки).Транзисторы HighSideFET и LowSideFET трудятся в импульсном режиме, их выбор сложен и будет рассмотрен позднее.Попытаемся оценить утраты при входном напряжении 19В, токе заряда АКБ 4А, конфигурации 4s1p:CellCS — ток через него равен току заряда, сопротивление 5мОм, утраты:CHGRCS — ток через него равен току заряда, сопротивление 10мОм, утраты: CHGFET и DSGFET — ток через них равен току заряда, сопротивление 5мОм, суммарные утраты: ACFET — ток через него равен входному току(заберём максимальный ток входа 3,5А это максимум того, что может выдать штатное ЗУ ноутбука), сопротивление 5мОм, утраты:Ко мне же возможно прибавить утраты на сопротивлении проводов ячейки-плата, и дорожек самой платы. Я вычислил их методом измерения падения напряжения при токе в цепи АКБ равном 4А, оно составило 36мВ, что соответствует мощности: BuckInductor — утраты в дросселе возможно поделить на 2 составляющие:

• утраты на активном сопротивлении обмотки (DCR — dc winding resistance). Для выбранного дросселя IHLP2525CZER2R2M01 типовое значение DCR = 18мОм, что при среднем токе 4А даст утраты:
• утраты в сердечнике достаточно не легко посчитать имея лишь эти из документации, исходя из этого верим заверениям Vishay что их материалы супер крутые, к тому же пульсации тока у нас в районе 20%, исходя из этого принимаем утраты в сердечнике нулевыми.

Итого суммарные утраты при заряде на статических компонентах составляют:Для того, чтобы получить суммарные потери при заряде нужно оценить утраты на транзисторах HighSideFET и LowSideFET. В этом мне помогал апнот AN-6005 от fairchildsemi. В случае если коротко, то на вкладке ControllerDriver добавляем в базу отечественный контроллер и вписываем требуемые параметры в таблицу: Эти берем из документации на BQ40Z60.

Потом заполняем таблицу с параметрами транзисторов HighSideFET и LowSideFET на вкладке MOSFETDatabase:Эти кроме этого берем из документации на транзисторы. Я экспериментировал со многими транзисторами(видно по базе) потому как частота преобразования в 1МГц это достаточно высоко. Из всех транзисторов, каковые я имел возможность скоро дотянуться самыми лучшими были CSD17308 от TI.

Но это именно рекомендованные транзисторы с кита BQ40Z60EVM. Самыми лучшими согласно расчетам были eGaN транзисторы от EPC (Efficient Power Conversion), но цена 500р, специфический корпус и месяц ожидания сыграли против него. Еще пара комментариев вкладки MOSFETDatabase:Правый столбец — Fig.Merit (Figure of merit — показатель качества) это произведение Rds_on на заряд затвора Qgsw. В общем чем ниже Fig.Merit, тем лучше транзистор, но необходимо осознавать, что это достаточно эмпирический показатель.

На вкладке EfficiencySummary выбираем контроллер, применяемые их количество и транзисторы, задаем параметры источника и нажимаем кнопку Run.Для тока заряда 4А и входного напряжения 19В утраты составят 1,17Вт. Неспециализированные утраты:По окончании сборки макета я измерил схемы заряда при параметрах таких же как при оценочных расчетах:КПД схемы 97,1%, наряду с этим мощность утрат составила 1,908Вт при расчетных 2,07Вт. Что ж весьма близко оказалось прикинуть утраты.

Термограмма трудящегося устройства продемонстрирована на рисунке.Окружающая температура 23 градуса, плата без корпуса. 58 градусов в самой тёплой точке (перегрев получается 58-23=35 градусов) при фольге в 18мкм это весьма хороший показатель. Дроссель наряду с этим нагрелся до 40 — вероятнее его подогревают транзисторы. Сам контроллер разогрелся до 52 градусов. Сейчас перейдем к оценке КПД совокупности при разряде. C начала оценим утраты в самом преобразователе.

Для этого составим список элементов конкретно воздействующих на КПД:A — верхний транзистор понижающего плеча преобразователя LTC3780.B — нижний транзистор понижающего плеча.C — нижний транзистор повышающего плеча.D — верхний транзистор повышающего плеча.L — дроссель.RS — резистор датчика тока.И само собой разумеется потребление самого контроллера LTC3780. Детально не буду останавливаться на работе микросхемы, сообщу лишь, что она практически представляет собой понижающий преобразователь стоящий по окончании повышающего с неспециализированным дросселем.

В зависимости от входного и выходного напряжений трудится или одна часть, или вторая, или обе(при примерном равенстве входного и выходного напряжений).Для расчета КПД преобразователя будем применять следующие параметры: Условимся, что ноутбук потребляет неизменно по максимуму. В действительности это близко к истине, потому, что при подключении внешнего источника он кроме энергии на работу потребляет еще и энергию на заряд внутренней АКБ, да и по большому счету при наличии внешнего питания в потреблении себе не отказывает.

Напряжения соответствуют номинальному напряжению ячеек — 3,7В и пониженному — 3,3В. Принципиально важно подчернуть, что преобразователь в текущем устройстве постоянно работает в повышающем режиме (входное напряжение ни при каких обстоятельствах не превосходит выходного), но это не означает, что транзисторы A и B не переключаются. Для зарядки конденсатора вольтдобавки(bootstrap) нужно краткосрочно выключать транзистор A и включать B(также самое будет происходить при работе в понижающем режиме для транзисторов С и D).

У LTC3780 это происходит с частотой 40кГц.Для оценки утрат воспользуемся xls файлом для LTC3780 из пакета LTpowerCAD2. Принцип работы похож на прошлую работу с xls для BQ40Z60. Вводим все тока выходных и значения напряжения, входного напряжения, желаемую частоту преобразования, параметры главных транзисторов(я решил применять CSD17308 как и в ЗУ). Дроссель был выбран IHLP5050EZER3R3M01 у которого типовое DCR = 7,7мОм.

Для 3,5А индуктивность маловата, так произошло вследствие того что при закупке комплектующих я рассчитывал на выходной ток 4,5А. Для текущей конфигурации совершенным вариантом будет IHLP5050EZER4на данный момент7M01 с типовым DCR = 12,8мОм. Датчик тока — резистор типоразмера 2512 сопротивлением 5мОм.По окончании введения всех данных в полях MOSFETs Power Loss Break Down и Estimated Efficiency будут круговые диаграммы распределения утрат по компонентам и оценка КПД для указанного тока/нагрузки и входного выходного напряжений.

Оценка КПД весьма оптимистичная — 98,79% при входном напряжении 14,8В и 98,51% при 13,2В (цифры не учитывая утрат в сердечнике дросселя). Главные элементы на которых происходят утраты это дроссель/датчик тока(23%), транзистор A(25%) и D(38% от общих утрат). Пришло время измерить настоящий КПД.

Измеренный КПД — 96,93% при входном напряжении 14,8В и 96,35% при 13,2В. Совершим анализ взятых данных. Для этого переведем проценты КПД в мощность утрат:В этом случае расхождения более значительны если сравнивать с оценкой утрат в преобразователе ЗУ и составляют до 1,48Вт. Но в случае если учитывать утраты в сердечнике дросселя (которыми при не оптимально выбранной индуктивности нельзя пренебречь) картина не будет уже столь удручающей.Оценим средний(при напряжении 13,2В) КПД PowerBank при разряде.

Он складывается из КПД самого преобразователя, и:CellCS — ток через него равен входному току преобразователя, сопротивление 5мОм, утраты:CHGFET и DSGFET — ток через них равен входному току преобразователя, сопротивление 5мОм, суммарные утраты: Тогда КПД PowerBank при разряде:Термограмма преобразователя при входном напряжении 14,4В и выходном токе 3,5А продемонстрирована ниже:Самой тёплой точкой был транзистор С, но его нагрев (при окружающей 21 градус) составил всего 41,1 градус по окончании 30 мин. работы. Ясно, что в корпусе эти цифры будут выше, но запас по перегреву громадный.И напоследок первой части статьи хочется заявить, что работа была проделана большая, а во второй части статьи нас ожидает разбор программных грабель и аппаратных при запуске макета, конфигурирование BQ40Z60 и ПО для STM32F0. Сохраняю надежду было весьма интересно.P.S.: Архив с проектом исходники и платы будут выложены в следующих частях статьи.

Случайная статья:

• Как изменились внешние аккумуляторы к 2016 году
• Инсайды #577: microsoft windows 10, apple iphone 7, oneplus 3 и bluetooth 5

мощный PowerBank своими руками

Похожие статьи:

• Разработка power bank для ноутбука. от макета к готовому изделию. часть вторая

  В прошедшей части статьи о разработке PowerBank для ноутбука мы остановились на изготовленном макете, измеренном КПД и пониманием того, что делать…

• Xiaomi power bank: роял-флеш внешних аккумуляторов

  Приветствуем вас на страницах блога iCover! Сейчас обращение отправится про «повербанк», он же «банка» либо внешний аккумулятор — у этих устройств…

• Sandisk объявил о разработке карт памяти cfast для фото- и видеокамер следующего поколения

  SanDisk Corporation заявила о разработке карт памяти формата CFast2.0, представленного сейчас Ассоциацией CompactFlash (CFA). Скорость работы новых карт…