DIY Powerbank на контроллере SW6306

1. Поддержка большой емкости: совместимо с 8 аккумуляторами 18650, что обеспечивает удовлетворение высокого спроса на электроэнергию.
2. Технология быстрой зарядки: поддержка быстрой зарядки PD45W + Super Flash Charge 40 Вт + Super Fast Charge 35 Вт + Flash Charge 30 Вт + Fast Charge 25 Вт + Standard Charge 15 Вт, высокая эффективность зарядки.
3. Установка без сварки: модульная конструкция, без сварки, сборка своими руками проста и удобна.
4. Многочисленные меры безопасности: встроенная защита от перезаряда, переразряда, короткого замыкания, для безопасного и надежного использования!

Примечание: уровень заряда батареи может быть неточным при первой вставке батареи. Аккумуляторная батарея должна быть полностью разряжена от 0 до 100% в течение как минимум трех циклов, чтобы быть точным.
Выходная мощность: 45 Вт (48 Вт)
Входная мощность: 30-65 Вт (требуется высокопроизводительное зарядное устройство и кабель для зарядки)
Выход USB и поддерживаемые мобильные протоколы:
5 В/3,1 А (стандартный выход); SCP: 40 Вт; UFCS: 33 Вт;
SVOOC: 45 Вт; VOOC4.0: 30 Вт (требуется высокопроизводительный кабель для быстрой зарядки); VOOC1.0: 20 Вт (требуется кабель для быстрой зарядки); PE1.1: 7,5 Вт;
PE2.0: 30 Вт; QC3+: 45 Вт; QC3.0: 36 Вт; QC2.0: 24 Вт; AFC: 18 Вт; FCP: 18 Вт; SFCP: 18 Вт;
Несколько портов одновременно выводят только 5 В.
Выход Type-C и поддерживаемые протоколы мобильных телефонов:
5 В/3,1 А (обычный выход); PD3.1: 45 Вт;: 44 Вт;
SCP: 40 Вт; UFCS: 33 Вт; SVOOC: 45 Вт;
VOOC4.0: 30 Вт (требуется высокопроизводительный кабель для быстрой зарядки);
VOOC1.0: 20 Вт (требуется кабель для быстрой зарядки). PE1.1: 7,5 Вт;
PE2.0: 30 Вт; QC3+: 45 Вт; QC3.0: 36 Вт; QC2.0: 24 Вт; AFC: 18 Вт; FCP: 18 Вт; SFCP: 18 Вт;
Многопортовый выход без быстрой зарядки;
Примечание: если фирменный протокол вашего телефона не поддерживается (быстрая зарядка USB не поддерживается), вы можете использовать зарядку PD (выход Type-C). Общедоступный протокол PD обеспечивает более стабильную выходную мощность и более высокую выходную мощность.
Цвет: черный
Материал: пластик

Комплектация:
1 x батарейный отсек (батареи не входят в комплект)

Только вышеуказанное содержимое упаковки, другие продукты не включены.
Примечание: Из-за отражения света и различий в настройках дисплея цвет элемента на изображении может немного отличаться от реального. Допустимая погрешность измерения составляет ± 1-3 см.

Крышка со стороны разъемов USB Type-A изначально не закреплена — точно так же, как и в младшей версии. На фото уже собранный повербанк.

Единственное отличие кроется в маркировке на панели со стороны портов USB Type-C.

Полупрозрачное стекло вклеено так же криво, как и у младшей модели:

В ходе решения проблемы с балансировкой, упомянутой в начале статьи, плату пришлось извлечь из корпуса. Для этого сначала потребовалось демонтировать токовые контакты, и на этом этапе я допустил ошибку. Слишком долгое воздействие высокой температуры вызвало вплавление металла в пластик. Если вы вдруг решите разобрать этот повербанк, то вот вам небольшая инструкция, как сделать это аккуратно. Сначала добавьте немного легкоплавкого припоя в место пайки. Прогревайте его максимум пару секунд, чтобы пластик не поплыл, и резким движением вынимайте контакт. Дело в том, что в корпусе он удерживается только за счет припоя.
Вот корпус без платы:

Токовые контакты:

Замерил сопротивление. Минусовые шины оказались выше по сопротивлению:

Раз уж я отметил отсутствие термистора, заглянем глубже: к 27-му выводу (NTC) контроллера запаян обычный постоянный резистор номиналом 10 кОм (подсветил его на фото). Решение, мягко говоря, спорное.

К 29-му выводу (CSET) контроллера подключен резистор, соединяющий его с землей. Этот элемент задает начальную емкость батареи. Согласно формуле из схемы, соотношение между начальной емкостью Cset и сопротивлением Rcset выглядит следующим образом:

Cset =（32/33 Rcset — 10/3 ) * 1000 мАч

Rcset = (33/32 * (Cset/1000 + 10/3) кОм

Исходя из заявленной надписи «20000 мАч» на корпусе, логично предположить, что повербанк рассчитан на 8 элементов по 2500 мАч. В одной параллели находятся два элемента, что дает общую емкость 5000 мАч. Следовательно, здесь должен стоять резистор номиналом:

Rcset = (33/32 * (5000/1000 + 10/3)) = 8,594 кОм

Однако на плате установлен элемент номиналом 7,5 кОм. Если подставить это значение в формулу, окажется, что контроллер «думает», будто емкость аккумулятора составляет всего 15 800 мАч. И снова маркировка на корпусе расходится с реальностью.

К 23-му выводу (SCK/POSET) контроллера запаян резистор на землю, который отвечает за выходную мощность. Судя по схеме, для выходной мощности 45 Вт должен быть установлен элемент на 24 кОм. Замер сопротивления это подтвердил. Теоретически, выходную мощность можно поднять с помощью других номиналов: 15 кОм для 60 Вт, 9,1 кОм для 65 Вт или 5,1 кОм для 100 Вт. Однако сильный нагрев ключей 80N03 ограничивает этот апгрейд. Для уменьшения нагрева мощность, наоборот, можно снизить: запаять резистор 33 кОм для 35 Вт или вовсе обойтись без него для 30 Вт.

К 24-му выводу (SDA/PISET) контроллера припаян резистор, задающий входную мощность. Согласно схеме, для входной мощности 65 Вт требуется номинал 9,1 кОм, что и подтвердилось на практике. Аналогично выходным параметрам, входную мощность тоже можно скорректировать: без резистора — 30 Вт, 33 кОм — 35 Вт, 24 кОм — 45 Вт, 15 кОм — 60 Вт, 5,1 кОм — 100 Вт.

Также хочу отметить наличие микросхемы защиты батареи CM1041-DT. Рядом с ней расположена цепь пассивной балансировки, состоящая из четырех групп:

1. HY2213-BB3A микросхемы балансировки заряда одноэлементного Li-ion аккумулятора. 
2. 2N7002K N-канального транзистора.
3. Резистора номиналом 47 ом. 

В ходе тестирования к этой системе возникли серьезные вопросы, а именно — к цепи балансировки второй параллели аккумуляторов. При зарядке на резисторе, который идет ко 2-му выводу (VDD) микросхемы HY2213, появляется напряжение срабатывания 4,23 В, и чип открывает транзистор. При этом на самой аккумуляторной сборке в этот момент всего 4,15 В! Из-за этого данная параллель сильно недозаряжается по сравнению с остальными. С каждым новым циклом разряда-заряда перекос увеличивался, а напряжение на проблемной группе становилось все ниже и ниже. Аналогичная проблема обнаружилась в старшей 65-ваттной версии повербанка. Если говорить кратко, я пришел к выводу, что плата спроектирована с ошибкой в разводке дорожек.

Единственное аккуратное решение, которое не портит внешний вид устройства, — полностью демонтировать все элементы цепи балансировки с платы. Как альтернативу можно было бы бросить провод с резистором напрямую от плюсового вывода аккумуляторов второй параллели до пина VDD микросхемы HY2213.

Плата с демонтированной цепью балансировки:

Ниже прикрепляю еще несколько фотографий платы для тех, кто захочет детально рассмотреть компоненты.

При подключении через порт USB Type-A без активации протоколов быстрой зарядки (то есть при стандартных 5 В) минимальный ток нагрузки составляет примерно 80 мА. Если потребление ниже этого значения, повербанк просто уходит в спящий режим.

Однако при активации протоколов быстрой зарядки поведение устройства меняется. Для проверки я подключил к нему USB-тестер FNB58 и принудительно выбрал протокол QC3.0. В таком режиме повербанк успешно проработал 30 минут и даже не думал засыпать.

Как и в предыдущем обзоре, в обработке данных и анализе мне помогал ИИ от Google.

Чтобы протестировать КПД, я измерил полный цикл заряда и разряда повербанка, а также отдельно протестировал сами аккумуляторы.

Под спойлером «Тесты с аккумуляторами 18650» приведены данные по работе устройства в сборе. Результаты получились следующими:

• Зарядка: 92,69 Вт·ч.
• Разрядка: 76,75 Вт·ч.

Затем, вынув элементы из повербанка, я собрал две отдельные сборки по схеме 4S1P. Емкость замерялась при постоянной мощности 35 Вт до падения напряжения на сборке до 12,4 В. Результаты измерений:

В итоге общая запасенная энергия элементов составила 80,3244 Вт·ч. Конечно, все эти расчеты имеют небольшую погрешность из-за различий в режимах работы и инструментальных допусков, но общую картину они отражают отлично.

Детальный разбор по этапам

1. Режим разрядки (Эффективность платы)

Формула: КПДразряда = (Отданная энергия / Энергия аккумуляторов) * 100%

Расчет: (76,75 / 80,3244) * 100% = 95,55%

Вывод: Плата преобразователя работает великолепно. В режиме Power Delivery (20 В) конфигурация аккумуляторов 4S2P находится в идеальных условиях. Преобразователю нужно поднять напряжение всего лишь с ~14,8 В до 20 В. Чем меньше разница между напряжением батареи и выхода, тем выше эффективность.

2. Режим зарядки

Формула: КПДзарядки = (Энергия аккумуляторов / Потребленная энергия) * 100%

Расчет: (80,3244 / 92,69) * 100% = 86,66%

Вывод: Здесь потери выше (около 13,34%), что абсолютно нормально для литий-ионных систем. Сюда входят потери на понижение напряжения с 20 В до ~16,8 В (напряжение полного заряда 4S-сборки), а также влияние внутреннего сопротивления самих ячеек при протекании зарядного тока (химические потери и нагрев).

3. Полный цикл (Сквозной КПД)

Формула: КПДцикла = (Отданная энергия / Потребленная энергия) * 100%

Расчет: (76,75 / 92,69) * 100% = 82,80%

Вывод: От зарядного устройства было взято 92,69 Вт·ч, а полезной нагрузке отдано 76,75 Вт·ч. Для мощных повербанков, работающих по 20-вольтовому профилю, общая сквозная эффективность выше 80% считается отличным результатом.

У этого повербанка нет никаких проблем с совместимостью с фирменными зарядными устройствами Xiaomi на 65 Вт и 90 Вт: процесс в режиме PD 20V Fix идет без нареканий на максимальной мощности 65 Вт.

Для сборки использовались восемь аккумуляторов типоразмера 18650 — DMEGC 32E емкостью 3200 мА·ч каждый.

Фотография собранного устройства:

Графики полных циклов работы приведены ниже.

Процесс зарядки выглядит довольно интересно. Он начинается с потребления 62,64 Вт и по мере наполнения емкости этот показатель незначительно растет. Максимальное энергопотребление зафиксировано на отметке 63,05 Вт прямо перед переходом в стадию CV (постоянного напряжения). Судя по графику, зарядка полностью прекращается при падении потребления примерно до 4,5 Вт, что практически соответствует току отсечки в 100 мА на ячейку.

Также могу отметить несколько любопытных моментов:

1. Спустя 1 минуту и 43 секунды после начала процесса произошла перезагрузка контроллера. В течение 4 секунд подача питания восстановилась.
2. Через 27 минут 16 секунд потребление резко упало до 9,5 Вт, но уже через 90 секунд снова возросло. Довольно забавно, что у «младшего брата» этого повербанка тоже наблюдается точно такая же просадка.
3. Необъяснимое колебание мощности при переходе к CV-стадии. На общем графике это выглядит как пила, а на дисплее тестера WITRN K2 фиксируется как кратковременный полный сброс потребления до нуля с последующим восстановлением.
    

Процесс заряда отсекается, как только напряжение на ячейках преодолевает порог в 4,2 В. Максимальное зафиксированное мной значение составило 4,199 В.

На графике разряда отчетливо видно, что выходная мощность лишь слегка снижается по мере истощения ячеек и сопутствующего роста токов. Просто замечательный результат! В качестве нагрузки к нашему повербанку я подключил другой, более емкий Zime Z5. Интересно, что здесь, как и при зарядке, на отметке 9 минут 34 секунды происходит кратковременная перезагрузка портов.

Разрядка полностью прекращается после падения напряжения на ячейках ниже порога 3,11 В.

Проверка температурного режима производилась при работе на нагрузку в виде другого, более мощного повербанка. Выходная мощность на протяжении всего теста составляла около 42 Вт.
Через 12 минут после начала теста: прозрачный пластик корпуса прогрелся незначительно — всего до 39,6 °C. Внутри устройства температура самого горячего силового ключа составила 66,5 °C, дросселя — 52,8 °C, а контроллера — 54,4 °C.

Через 40 минут после начала теста показатели ожидаемо подросли. Температура внешнего корпуса составила 43 °C, самого горячего ключа — 72,9 °C, дросселя — 59,3 °C, а контроллера — 60,7 °C:

Через 60 минут после начала теста: внешний корпус нагрелся до 43,4 °C, самый горячий ключ — до 75,2 °C, дроссель — до 61,2 °C, контроллер — до 60,9 °C:

Через 90 минут после начала теста: внешний корпус — 48,4 °C, самый горячий ключ — 82,2 °C, дроссель — 67,7 °C, контроллер — 63,7 °C:

Через 110 минут после начала теста (прямо перед полным отключением по разряду) были зафиксированы пиковые показатели эффективности охлаждения. Прозрачный пластик прогрелся до 52,8 °C, а внутри корпуса температура самого горячего ключа достигла 91,4 °C, дросселя — 74,8 °C, контроллера — 68,9 °C:

Силовые ключи на плате установлены довольно скромные по размеру. Из-за этого нагрев при зарядке получился внушительным, хоть и не критичным.

Первый замер я произвел через 10 минут после начала процесса. Мощность зарядки составляла 63 Вт, повербанк к этому моменту успел набрать 10 Вт·ч энергии. Внешний пластик корпуса нагрелся до 46,3 °C. При этом один из ключей уже раскалился до 100 °C, дроссель прогрелся до 67,3 °C, а контроллер — до 63,3 °C.

Второй замер был сделан через 30 минут после начала зарядки:

Внешний пластик корпуса — 50,3 °C.

Температура самого горячего ключа практически не изменилась — 100,5 °C.

Дроссель — 70,2 °C.

Контроллер — 69,5 °C.

Финальный замер я выполнил через 60 минут после старта, прямо перед переходом аккумуляторов в CV-стадию:

Внешний пластик корпуса — 51,9 °C.

Температура самого горячего ключа — 102,6 °C.

Дроссель — 72,3 °C.

Контроллер — 74,1 °C.

Ниже представлены фотографии замеров уровня пульсаций в различных режимах работы протокола Power Delivery (PD).