СмартПульс - держите руку на пульсе высоких технологий! Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций

   Главная - Сделай сам! (DIY) - Плата быстрой зарядки: как она устроена и как её применить с пользой

Плата быстрой зарядки: как она устроена и как её применить с пользой

Предисловие

Сразу надо сказать, что тестируемая плата быстрой зарядки не является самостоятельным зарядным устройством: для её работы необходим внешний источник питания.

В каких случаях и как можно эту плату быстрой зарядки применить с пользой, и насколько качественно она работает, выясним далее в обзоре.

(Фото с Алиэкспресс, кликнуть для увеличения)

Оглавление:

1. Немного теории: как работает быстрая зарядка
 

2. Конструкция, характеристики и схемотехника платы быстрой зарядки
 

3. Тест платы быстрой зарядки
 

4. Тест платы быстрой зарядки на зарядке реальных смартфонов
 

5. Окончательный диагноз

Немного теории: как работает быстрая зарядка

Сначала - несколько слов о том, как работает быстрая зарядка и откуда она возникла.

Первые смартфоны заряжались от источников питания с напряжением 5 В, а процесс зарядки был долгим - до 3 часов. Но это было нормально: аккумуляторы того времени не допускали больших зарядных токов.

Но времена менялись, аккумуляторы совершенствовались, токи заряда уже можно было бы и повысить, но возникла другая проблема: через тонкие контакты разъёмов смартфонов микро-USB или USB Type-C нельзя передавать слишком большие токи - контакты могут просто отгореть.

Выход был найден полностью аналогичный применяемому на больших магистральных ЛЭП: для передачи высокой мощности повышается напряжение и одновременно понижается ток.

На стороне потребителя мощности ЛЭП для приведения напряжения к полезной для потребителя величине стоит понижающий трансформатор, а в смартфоне стоит его аналог: понижающий DC-DC преобразователь (постоянного тока в постоянный), совмещенный с контроллером заряда аккумулятора.

В результате в смартфоне производится обратная операция: снижается напряжение и повышается ток, закачиваемый в аккумулятор.

К тонкостям этого способа передачи высокой мощности относится её регулировка именно со стороны смартфона, ибо ему виднее, в каком состоянии находится его аккумулятор и какой ток для него допустим.

В типовом случае смартфон постепенно снижает ток зарядки аккумулятора при приближении уровня заряда к 100%; а также и в начале зарядки, если аккумулятор был слишком сильно разряжен.

Для современных смартфонов с поддержкой быстрой зарядки передаваемая мощность может достигать 120 Вт; а напряжение может повышаться до 20-22 В. Продолжаются разработки по дальнейшему повышению мощности зарядки аккумуляторов.

Систем быстрой зарядки развелось много: PD, QC2 - QC4+, VOOC, Pump Express и т.д.; отличающихся системами команд, допустимыми токами и напряжениями и "тонкостями" их регулировки. Некоторые из них частично совместимы, а некоторые - нет; но практически все они поддерживаются тестируемой платой.

Внимание: протокол Super VOOC тестируемой платой не поддерживается! Отличие от "обычного" VOOC заключается в том, что Super VOOC допускает передачу 50 Вт мощности, а "обычный" VOOC - только 20 Вт.

В "ранних" системах быстрой зарядки делались попытки банально повысить ток зарядки без повышения напряжения (оставив его на уровне 5 В); такие системы применяются до сих пор, но они уже далеко не самые прогрессивные на сегодняшний день.
 

Конструкция, характеристики и схемотехника платы быстрой зарядки

На китайских маркетплейсах имеются в продаже две разновидности платы: на чипе SW3516 и на чипе SW3518 (datasheet SW3518, PDF, китайско-английский язык). Последний чип поддерживает большее число протоколов быстрой зарядки, именно на этом чипе основана тестируемая плата.

Основные характеристики тестируемой платы быстрой зарядки:

Диапазон допустимых входных напряжений: 6...35 В;

Максимальная выходная мощность: 60 Вт (20 В * 3 А, требуется напряжение питания 21 В или выше);

Поддержка протоколов быстрой зарядки: Power Delivery PD30 (PS); Qualcomm QC2, QC3, QC4, QC4+; Huawei SCP/FCP; Apple 2.4 A; Samsung AFC; Oppo VOOC; VIVO 9V2A; Mediatek PE20.

Выходные интерфейсы: USB-A, USB-C (при одновременном подключении выходное напряжение устанавливается на уровне 5 В);

Габариты: 50*17*12 мм.

Для платы заявлена защита от переполюсовки питания (не проверялась) и от короткого замыкания на выходе (проверялась, работает).
 

Основу тестируемой платы быстрой зарядки составляет управляемый понижающий DC-DC преобразователь.

Из этого факта проистекает ограничение подаваемого на выход напряжения: оно не может превышать входное. В связи с этим при питании платы низким напряжением (например, 12 В в автомобиле) плата не сможет работать в самом максимальном режиме быстрой зарядки с напряжением на выходе 20-22 В.

Вид платы быстрой зарядки сверху:

На этой стороне платы мало элементов: расположен мощный дроссель и электролитические конденсаторы 100 мкФ на 35 В; два - по входу, и два - по выходу.

Вблизи разъёма USB расположены также два маленьких SMD-светодиода. Верхний (синий) показывает только, что напряжение на плату подано; а нижний (красный) показывает, что плата включила режим "быстрой зарядки". Естественно, красный светодиод загорается, только в том случае, если подключенный к плате смартфон имеет поддержку какой-либо системы "быстрой зарядки".

Основные электронные компоненты находятся на обратной стороне платы:

Преобразователь DC-DC на плате выполнен по прогрессивной схеме с синхронным выпрямлением; то есть, вместо традиционных выпрямительных диодов используются транзисторы MOSFET, которые открываются контроллером SW3518 в нужные моменты времени (и закрываются в ненужные).

А конкретно применены MOSFET-ы типа C005N (они же ZC005NG, datasheet), внешне похожие на микросхемы с 8-ю ножками (некоторые ножки запараллелены для уменьшения токовой нагрузки на контакты). Максимальный непрерывный ток - 90 А, импульсный - 330 А, сопротивление в открытом состоянии - 4.2 миллиОм. Но, весьма вероятно, что приведённые величины являются некоторым преувеличением со стороны наших китайских товарищей. :)

Всего на плате установлено 3 таких транзистора.

Также на плате установлено ещё два MOSFET-ключа типа 8205, внешне похожих на 6-ногие микросхемы.

На этой же стороне платы расположен её второй выход - разъём USB Type-C. Как уже говорилось, оба выхода платы не могут одновременно работать в режиме быстрой зарядки, так как контроллер - только один; а поступающие команды управления от заряжаемых смартфонов могут быть противоречивы.

Зелёный элемент с буквой "T" в левом верхнем углу, предположительно, - предохранитель (одноразовый; старайтесь всё-таки не допускать замыканий!).

На плате есть интересные резисторы чуть правее и выше центра с номиналами 0.004 и 0.005 Ом. Вероятнее всего, они служат датчиками тока для схем управления и защиты.
 

Тест платы быстрой зарядки

Тест платы будет осуществляться с помощью так называемых QC-триггеров: небольших плат, принудительно переводящих зарядное устройство с поддержкой быстрой зарядки в режим подачи на выход повышенного напряжения; в данном случае будут использованы QC-триггеры на 9, 12 и 20 В (обязательный набор в большинстве систем быстрой зарядки). Подробнее об их работе - в статье "Как получить напряжение 9 или 12 Вольт от внешнего аккумулятора на 5 Вольт с поддержкой "быстрой зарядки".

В качестве первичного источника питания будет использован лабораторный блок питания с установкой нескольких вариантов выходного напряжения: на уровне 12 В (эквивалент автомобильной сети и компьютерного БП), 18 В (эквивалент БП ноутбука) и 24 В (напряжение, близкое к максимальному из числа используемых в блоках питания ноутбуков).

Температурный режим платы быстрой зарядки, в основном, зависел от тока выхода и слабо зависел от входного напряжения (но в принципе прослеживалась тенденция, что чем выше входное напряжение, тем выше и нагрев). Далее на тепловых снимках - плата при напряжении выхода 12 В, токе выхода 3 А и входном напряжении 24 В; первый тепловой снимок - нагрев платы сверху:

Тепловой снимок сделан тепловизором UNI-T UTi260M (обзор). В правой части снимка видна небольшая плата QC-триггера.

На этой стороне платы больше всего нагрелась индуктивность - до 85 градусов. Причин для беспокойства нет.

Теперь - снимок с обратной стороны (где расположена основная электроника):

Максимальный нагрев элементов на плате составил 95 градусов; больше всего нагрелся один из транзисторов C005N, формирующих мощные импульсы на индуктивность. Формально, это - хотя и высокий, но безопасный нагрев (согласно Datasheet на транзисторы допускается до 150 градусов). В данном случае такой нагрев достигнут при предельной нагрузке, но в реальной жизни при зарядке смартфонов он вряд ли встретится. На всякий случай надо посмотреть документацию на смартфон: если указана мощность зарядки выше 36 Вт, то надо подстраховаться, расположив плату в достаточно просторном корпусе или же в корпусе из металла.

Для систем быстрой зарядки без повышения напряжения внимание к теплоотводу надо уделять, уже начиная с 20 Вт (далее будет рассмотрен такой случай).

Что касается остальной части платы, то других мест с сильным локальным разогревом нет; и это - хорошо.
 

Теперь - четыре измерения КПД устройства.

1. Входное напряжение 18 В, ток входа 2.38 А; выходное напряжение 12 В, ток выхода - 3 А. КПД составил 84%.

2. Входное напряжение 24 В, ток входа 1.74 А; выходное напряжение 12 В, ток выхода - 3 А. КПД составил 86%.

3. Входное напряжение 12 В, ток входа 2.58 А; выходное напряжение 9 В, ток выхода - 3 А. КПД составил 87%.

4. Входное напряжение 24 В, ток входа 2.68 А; выходное напряжение 20 В, ток выхода - 3 А. КПД составил 93%.

С учётом погрешности измерений, можно считать, что КПД не изменялся; за исключением последнего измерения. При наиболее высоком напряжении выхода (20 В) КПД оказался заметно выше среднего, даже несмотря на возможную погрешность.

В принципе, такие результаты по КПД, что называется, "ни похвалить, ни поругать". Основные потери - в транзисторе C005N, в печатных проводниках платы и в обмотке индуктивности. Потери же на контактном сопротивлении разъёмов относим на мощность, отдаваемую в нагрузку (т.е. условно присоединяем к полезной мощности, хотя это и не совсем так).
 

Следующий эксперимент - попытка получить 12 В на выходе при напряжении питания тоже 12 В (характерно для применения в автомобиле).

Этот эксперимент интересен тем, что, из-за применения в плате быстрой зарядки понижающего преобразователя, невозможно получить на выходе напряжение, даже просто равное напряжению на входе (оно может быть только меньше входного).

То есть, в данном случае просто оцениваем потери напряжения.

При токе выхода 3 А напряжение на выходе снижалось до 11.38 В (измерялось на контактах разъёма USB на плате). Результат - приемлемый.
 

Теперь, для порядка, посмотрим на осциллограмму напряжения на индуктивности в той точке, где она соединяется с ключевым транзистором C005N. Осциллограмма снята при напряжении входа 18 В, напряжении выхода 12 В, токе выхода 3 А:

Частоту импульсов осциллограф определил в 126 кГц (довольно низкая для преобразователей DC-DC, но главное - всё работает!).
 

Тест платы быстрой зарядки на зарядке реальных смартфонов

1. Первый тест был проведён на смартфоне OPPO Reno5. Особенность этого и большинства других смартфонов OPPO - том, что они поддерживают две системы быстрой зарядки: VOOC (без подъёма напряжения зарядки, только с подъёмом тока до 4 А при стандартном напряжении 5 В); и систему Super VOOC (с подъёмом напряжения зарядки до 10 В).

Поскольку систему Super VOOC тестируемая плата быстрой зарядки не поддерживает (эта система не указана в спецификациях SW3518), то будет работать только система VOOC - не самая выгодная с точки зрения передачи энергии. То, что включилась именно эта система, показал сам смартфон.

На плату подавалось напряжение питания 24 В. Ток выхода составил 4 А, такова спецификация стандарта VOOC. Такой ток близок к току срабатывания защиты платы, но оно всё-таки не происходило.

Как и следовало ожидать, столь высокий ток привёл к высокому нагреву платы. Со стороны элементов нагрев составил до 108 градусов; а со стороны индуктивности - до 92 градусов, см. тепловые снимки:

Как бороться со столь высокими температурами? В порядке эксперимента напряжение питания было снижено до 12 В, при этом нагрев платы не превышал 90 градусов. Ток выхода не снизился. Естественно, при этом становился недоступным режим с напряжением выхода 20 В, но он и не всем смартфонам нужен (а этому OPPO - точно не нужен).

Сам процесс зарядки имел две точки перегиба. Первые 40 минут после включения ток выхода составлял 4 А, а затем, по достижении уровня заряда 72% ток снизился вдвое - до 2 А.

Следующая точка перегиба - уровень заряда 90%. По достижении этой точки (через час после старта) ток заряда снизился до 1.4 А, затем продолжил плавное снижение почти до нуля без резких перегибов.

Весь процесс заряда с уровня 10% до 100% занял 1 час 40 минут. Для сравнения: зарядка штатным зарядным устройством смартфона (поддерживающим Super VOOC) укладывалась в 40 минут.

График разряда и заряда аккумулятора с помощью тестируемой платы выглядел так:

Теперь перейдём к более простому случаю.
 

2. Зарядка смартфона Samsung Galaxy A22.

В характеристиках этого смартфона заявлено просто и бесхитростно: "Быстрая зарядка 15 Вт"; причём без указания системы быстрой зарядки.

Подключение смартфона к тестируемой плате показало, что смартфон использует систему быстрой зарядки с подъёмом напряжения до 9 В.

Ток в начале зарядки колебался в пределах 1.25 - 1.6 А; при приближении к 100% заряда ток постепенно снижался; но напряжение зарядки осталось прежним (9 В).

В результате время зарядки оказалось не совсем совпадающим с тем, что обычно понимается под быстрой зарядкой и составило чуть менее 2 часов (не отличается от времени зарядки при использовании штатного ЗУ). Но, учитывая относительно большую ёмкость аккумулятора (5000 мАч), надо признать, что это всё равно намного быстрее, чем было бы при использовании "обычной" зарядки.

Нагрев платы при этом оказался умеренным (не выше 80 градусов).
 

Окончательный диагноз

Протестированная плата быстрой зарядки показала хорошую работу в режимах с повышением напряжения зарядки до 9 - 20 В и выходным током до 3 А (выходная мощность до 60 Вт), что достаточно для поддержки большинства протоколов быстрой зарядки. Точка срабатывания защиты от перегрузки при выходном напряжении 5 В составляет около 4 А, так что и некоторые системы без повышения напряжения оказались работоспособными (например, VOOC).

В то же время предельные режимы с выходным током 3 А и напряжением 9 - 20 В (или с напряжением 5 В и током 4 А) вызывают высокий нагрев элементов платы и ей, соответственно, может потребоваться хороший теплоотвод. В связи с этим рекомендуется изучить по документации или обзорам, возможен ли такой режим при зарядке Вашего телефона (если возможен - то принять меры по теплоотводу).

Для улучшения теплоотвода рекомендуется разместить плату в достаточно просторном пластиковом корпусе или, пусть и в менее просторном, но металлическом корпусе. Можно использовать и без корпуса, но при условии, что плата не будет иметь возможности контакта с другими металлическими предметами (опасность замыкания).

Рекомендации

Главный вопрос при применении этой платы - от какого источника её запитать?

Здесь есть несколько вариантов:

1. Можно встроить её в компьютер и подключить к внутреннему напряжению 12 В (оно есть во всех компьютерах). Правда, при этом не сможет работать максимальный режим с напряжением выхода 20 В, но и режимы 9 В и 12 В тоже обеспечивают довольно быструю зарядку (а 20-вольтовый режим даже и не все смартфоны поддерживают, так что не велика потеря).

2. В автомобиле, аналогично, тоже есть напряжение 12 В. Потребуется соорудить переходник от платы быстрой зарядки в прикуриватель, а саму плату - надёжно заизолировать во избежание повреждений и замыканий.

3. В домашних условиях можно использовать блок питания для ноутбука (тоже потребуется соорудить переходник). Впрочем, если использовать ненужный блок питания от "убитого" ноутбука, то его можно припаять к плате навечно; и тогда переходник городить не надо (а об изоляции платы всё равно позаботиться надо).
   Напряжение блоков питания для ноутбуков находится обычно в пределах 18-24 В, и они уже смогут поддержать режим быстрой зарядки с напряжением 20 В на выходе (либо близко к этому для блоков питания на 18-20 В). Наилучшим вариантом с целью снижения нагрева платы будет напряжение источника питания 18-20 В.

Другие варианты - использовать блоки питания от "убитых" принтеров, сканеров, сетевого оборудования и т.п.

В качестве корпуса для платы один из покупателей платы на Алиэкспресс рекомендует использовать корпус телефонной розетки (возможны и другие варианты):

Автор фото - Mikontara2 M.

Купить протестированную плату быстрой зарядки можно на Алиэкспресс, например, у этого продавца. Цена на дату обзора - около $3 с учётом доставки. Следите, чтобы плата была именно на чипе SW3518!

Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158

  Ваш Доктор.
 16 мая 2024 г.

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

  Комментарии вКонтакте:

    Доктора! (Администрация сайта - контакты и информация)
  Группа SmartPuls.Ru  Контакте - анонсы обзоров, актуальные события и мысли о них