Для того чтобы пользоваться мобильными аккумуляторами со­вер­шенно необязательно знать, как они устроены. Но для тех, ко­му это интересно, по­стараемся разобраться в схемных ре­шениях на при­ме­ре двух Power-бан­ков: Xiaomi — самого по­пу­ляр­ного последние два года, и Globex — нового брен­да, пре­тен­ду­ю­щего на долю пирога, ко­то­рый еще не от­ку­сил Xiaomi. На­сто­я­щая статья призвана (хотя бы отчасти) дать ответ, по­че­му пе­ре­нос­ные ис­точ­ники энергии так различны в эксплуатации.

Аккумуляторные батареи Power-банка Xiaomi

Гальванические элементы — сердце мобильного аккумулятора. От них зависит многое, они определяют поведе­ние Power-банка при зарядке и разрядке и применение схемных решений для реализации этих процессов. Оба испытуемых устройства рассчитаны на использование литиевых элементов питания.

Рис 1. Power-банк Xiaomi Mi 16000mAh, модель NDY-02-AL, состоит из пяти элементов Panasonic NCR18650BE

Xiaomi комплектует свою батарею аккумуляторами Panasonic NCR18650BE. (Стоит обратить внимание на суффикс BE — это маркировка нового типа элементов 18650, отличающихся от своих предшественников не только литерой «E», но и электрохимическими параметрами. Хороший анализ различий представлен здесь). По слухам, на таких аккумуляторах работает «Tesla» — лучшей рекомендации для продукции Panasonic и не нужно.

Power-банк Xiaomi Mi 16000mAh, модель NDY-02-AL, состоит из пяти элементов NCR18650BE. Исходя из пас­порт­ных данных, такая батарея способна подать на вход повышающих преобразователей номинальное напряжение в 3,6 вольта (в реальности — несколько ниже: 3,25 V, как следует из материалов выше упомянутого форума Candle­Power). Емкость каждого элемента декларируется в пределах от 2700 мАч до 2900 мАч. Из этого следует суммарная документированная емкость литий-ионной батареи Xiaomi — 13500…14500 мАч.

Рис 2. Реальная емкость Power-банка Xiaomi Mi 16000mAh, обозначена мелким шрифтом как 10200 мАч

Реальная емкость Power-банка Xiaomi Mi 16000mAh обозначена мелким шрифтом как 10200 мАч, что хоть как-то согласуется с документацией на элементы Panasonic и совсем никак с маркетинговой цифрой. Если учесть потери в повышающих цепях и реальное напряжение аккумуляторов, параметры мобильного аккумулятора окажутся еще хуже.

Литий-полимерные аккумуляторы Globex

В отличие от своего конкурента, Power-банк Globex Q150 укомплектован модными литий-полимерными ак­ку­му­ля­то­ра­ми неизвестного производителя. Их в батарее устройства три штуки, они включены параллельно.

Рис 3. Литий-полимерные аккумуляторы Power-банка Globex Q150

К счастью, параметры гальванических элементов указаны на корпусе, что позволяет подсчитать емкость Power-банка в других единицах, не обозначенных в документации — суммарно Q150 способен обеспечить под­клю­чен­ным устройствам ресурс в 55,5 Ватт-часов. Емкость в 15000 мАч, как следует из ранее выполненных экспериментов, достижима только на новых устройствах в процессе их зарядки.

Рис 4. Фиксация момента полной разрядки Power-банка Globex Q150

Запитав от мобильного аккумулятора Globex смартфон, вряд ли стоит рассчитывать на заявленную цифру. По са­мым оптимистическим оценкам она не будет больше 11150 мАч.

Об аккумуляторах: промежуточные итоги вкратце

В контексте электрохимических особенностей используемых аккумуляторов возникает закономерный вопрос, какой Power-банк лучше: на литий-полимерных элементах или с батареями Li-Ion структуры. Попытаемся ответить на него иллюстрацией из доклада «Технология заряда батарей» Джона Сяо (John Hsiao), Texas Instruments.

Рис 5. Сравнение энергоплотности различных типов аккумуляторов

Как видим, с потребительской точки зрения обе литиевых электрохимии приблизительно равны по свои ха­рак­те­ристикам. Во всяком случае, для носимых источников питания разница между ними непринципиальна.

Гораздо важнее для долговременной и надежной эксплуатации схема балансировки элементов в аккумуляторных батареях обоих Power-банков. Вернее — ее отсутствие на печатных платах устройств и возможное делегирование функции узлам, опционально интегрируемым в корпуса аккумуляторов. Исследование таких решений — тема от­дель­ной публикации. Скорее всего, ценовые аргументы играют важную роль в борьбе за покупателя.

Компоненты и схемные решения мобильного аккумулятора Globex Q150

Поддержка спецификации Qualcomm Quick Charge 3.0, допускающей зарядные напряжения выше стандартных 5 вольт (до 20 вольт), явилась определяющим фактом для основных схемных решений мобильного аккумулятора Globex Q150. Устройство разработано на основе специализированного импульсного преобразователя — зарядного контроллера — ETA6085, управляющего передачей энергии в аккумуляторную батарею, и повышающего им­пуль­сного формирователя, преобразующего батарейное питание в выходные напряжения на USB-портах в формате Type-A.

Рис 6. Типовая схема включения зарядного контроллера ETA6085 производства ETA Solutions

Несколько странно, что зарядный контроллер, реализованный на микросхеме ETA6085 разработки ком­па­нии ETA Solutions, предназначен для обслуживания литий-ионных батарей, хотя в Power-банке Q150 применяются ак­ку­му­ля­то­ры Li-Po структуры. Пришлось ли производителю дорабатывать схему с учетом этого факта?

Контроллер ETA6085 управляет токами заряда (до 3 ампер) и разряда (до 2.5 ампер) батареи мобильного ак­ку­му­ля­то­ра с коэффициентом преобразования не хуже 95%. Рабочая частота чипа от 0.8 до 1.2 МГц. Внутренний пре­об­ра­зо­ва­тель формирует импульсное напряжение на линии SW (контакты 12, 13), которое посредством LC-фильтра, преобразуется в постоянное напряжение, приложенное к зажимам батареи.

Мониторинг температуры аккумуляторных батарей осуществляется с помощью терморезистора, подключаемого к входу NTC (контакт 1).

Внешний транзисторный ключ, управляемый по линии INGT (контакт 6), отключает устройство от источника пи­та­ния в случае превышения входного напряжения, реализуя защиту OVP (Over-Voltage Protection). Для исключения аварийных режимов батареи, функции защиты, реализованные в составе зарядного контроллера, дополнены уста­новкой специализированной микросхемы DW01A разработки компании Fortune Semiconductor:

Рис 7. Схема защиты аккумуляторной батареи, реализованная на основе DW01A

• Функция OD (Over-Discharge) предотвращает переразряд, для этого цепь разрядного тока прерывается транзисторным ключом M1 в случае недопустимого понижения напряжения батареи.
• Функция OC (Over-Charge) предотвращает перезаряд, для этого цепь зарядного тока (противоположной полярности) прерывается ключом M2 в случае недопустимого повышения напряжения батареи.
• Линия CS (Current Sense) реализует датчик защиты от перегрузок по току.

Рис 8. Повышающий преобразователь напряжения на основе контроллера Texas Instruments TPS61088

Повышающий преобразователь реализован на микросхеме TPS61088 разработки компании Texas Instruments. Чип содержит широтно-импульсный модулятор и транзисторные ключи. Внешние элементы L1, C6 образуют ре­ак­тив­ную цепочку, с помощью которой входное напряжение VIN преобразуется в напряжение VOUT. Повышающий пре­об­ра­зо­ватель необходим для формирования напряжений, предусмотренных спецификацией Quick Charge 3.0.

Рис 9. Интерфейсный контроллер CHY 103, обеспечивающий функциональность Quick Charge 3.0

Один из выходных портов Power-банка Q150 снабжен интерфейсным контроллером CHY103 разработки компании Power Integrations, реализующим протокол обмена аналоговыми уровнями по линиям Data+/Data–, для уп­рав­ле­ния выходным напряжением в соответствии с запросами устройства-потребителя энергии (согласно требований выше упомянутой спецификации QC 3.0). Возможности порта, согласно документации на устройство, таковы:

• напряжение 5 вольт — ток 3 А;
• напряжение 9 вольт — ток 2 А;
• напряжение 12 вольт — ток 1.5 А.

Таблица формирования зарядных напряжений 5 вольт и выше, на основании протокола квитирования ана­ло­го­вы­ми уровнями по линиям USB-шины D+, D– имеет следующий вид:

Табл 1. Таблица формирования зарядных напряжений 5 вольт и выше,
на основании протокола квитирования аналоговыми уровнями по линиям USB D+, D-

Согласно спецификации Quick Charge 3.0, устройство-потребитель энергии, запрашивает оптимальное на­пря­же­ние заряда, формируя аналоговые уровни на информационных линиях USB2 Data+, Data–. Устройство-источник интерпретируя состояние указанных линий, управляет выходным напряжением цепи питания VOUT. Согласно таблице, максимальное напряжение, поддерживаемое устройствами класса A равно 12 вольт, лимит для класса B составляет 20 вольт. В режиме по умолчанию используется напряжение 5 вольт.

Второй порт Power-банка Globex Q150 функциональностью Quick Charge не обладает. Он оснащен резисторным делителем и поддерживает устаревшую ныне спецификацию Battery Charging v1.2 (токовая нагрузка до 2 ампер).

Входной порт мобильного аккумулятора управляющей логикой не оснащен, что в общем-то странно, принимая во внимание 2-амперное потребление тока при зарядке через USB-разъем от внешнего блока питания.

Как устроен Power-банк Xiaomi Mi 16000mAh?

Характерной особенностью мобильного аккумулятора Xiaomi NDY-02-AL является функциональная насыщенность микросхемы зарядного контроллера, сочетающей широтно-импульсный модулятор, управляющий напряжением батареи, интерфейс System Management Bus, обеспечивающий взаимодействие с автономным процессором Power-банка, а также интерфейсный контроллер, реализующий поддержку Battery Charging Specification 1.2 для входного порта.

Рис 10. Типовая схема включения зарядного контроллера BQ24195

Зарядный контроллер реализован на микросхеме BQ24195 разработки компании Texas Instruments, обеспечивает обслуживание литий-ионных и литий-полимерных батарей с типовым напряжением 5.1 вольта. Зарядный ток ог­раничен значением 4.5 ампера. Коэффициент полезного действия при токе 4A составляет до 90%, рабочая частота 1.5 MHz. Совмещение в одном кристалле силовых цепей входного и батарейного питания, I²C-интерфейса и линий универсальной последовательной шины (USB D+/D–), делает дизайн устройства компактным. Микросхема обес­пе­чи­ва­ет термоконтроль и термозащиту батарей, защиту от повышенного напряжения и токовой перегрузки.

Рис 11. Интерфейсный контроллер TPS2513, реализующий требования Battery Charging Specification 1.2

Протокол Battery Charging Specification 1.2 определяет передачу аналоговых уровней по линиям USB D+/D–, обес­пе­чи­вая идентификацию устройством-потребителем повышенной (по сравнению со стандартной реализацией USB-порта) нагрузочной способности устройства-источника питания. Как уже было сказано, поддержка этого протокола Power-банком при работе в качестве заряжаемого устройства, реализована средствами зарядного контроллера BQ24195. Чтобы устройства, подключаемые к Power-банку в качестве заряжаемых также ис­поль­зо­ва­ли преимущества оптимизации зарядного тока, выходные порты снабжены микросхемой TPS2513 разработки Texas Instruments.

Микропроцессор MC97F1204S разработки ABOV Semiconductor построен на основе 8-битной архитектуры, сов­ме­с­ти­мой с программной моделью 8051, несколько десятилетий являющейся индустриальным стандартом, под­дер­жи­ва­е­мым множеством трансляторов и средств отладки. Контроллер содержит 4KB Flash ROM и 256 байт RAM. 16-битный таймер и широтно-импульсный модулятор (PWM) аппаратно реализуют времязадающие функции.

Эффективной реализации управляющего контроллера Power-банка, способствует множество аналоговых и циф­ро­вых интерфейсов контроллера.Функция OCD (On-Chip Debug) позволяет разработчику отлаживать программное обеспечение контроллера непосредственно в целевом устройстве, что по сравнению с программной эмуляцией на PC, обеспечивает лучшую достоверность и выявление ошибок, связанных с функционированием в реальном вре­ме­ни. Контроллер запросов на прерывание предназначен для обработки асинхронных событий.

Выводы

С точки зрения исследователя, устройство Xiaomi, построенное на основе унифицированного микроконтроллера и стандартного механизма взаимодействия узлов в виде последовательной шины SMBus (I²C), вызывает большее до­верие, чем Globex, построенный на управляющем микроконтроллере без маркировки.

Преимуществом Globex, состоящим в поддержке Quick Charge 3.0 для выходных портов устройства, можно вос­поль­зо­вать­ся лишь при наличии потребителей энергии, поддерживающих ускоренную зарядку. Это устройство ассоциируется с авангардом. В то время как схемотехнический дизайн Xiaomi, опирающийся на унифицированные принципы в виде Battery Charging Specification, позволяет причислить продукт к классике.

Несмотря на различную аппаратную реализацию обоих мобильных аккумуляторов, можно с уверенностью ска­зать, что микропроцессорное управление подобными устройствами стало требованием времени. Power-банки, на­де­лен­ные интеллектом, имеют право на жизнь, все прочие решения должны покинуть рынок. В свете надви­га­ю­ще­го­ся господства USB Type-C это процесс приобретет еще большую актуальность.