Устройство power bank (повербанка), его «тонкости» и как его выбрать

Эта же статья - на Яндекс.Дзен (рекомендуется для мобильных устройств).

Повербанк (он же power bank, внешний аккумулятор, портативное зарядное устройство) - это аккумуляторное устройство для подзарядки мобильных устройств пользователя при недоступности сетевого электричества.

То есть, в это чём-то - очень близкий родственник известных с древности источников бесперебойного питания, которые должны питать аппаратуру при внезапном пропадании напряжения в сети; но повербанки значительно легче и компактнее.

Словосочетание "аккумуляторное устройство" - важное для понимания функционирования повербанков.

Запитать мобильные устройства в отрыве от сетевой розетки можно и другими путями, например, с помощью солнечной батареи или даже ручной динамо-машины, но к повербанкам эти устройства отношения не имеют.

Блок-схема повербанка:

(кликнуть для увеличения)

На блок схеме серым цветом показаны блоки, обязательные только для повербанков с поддержкой "быстрой зарядки".

Пояснение: DC-DC преобразователь  - это преобразователь постоянного тока в постоянный, но с другим напряжением. В повербанках реализуются с помощью импульсной схемы на основе MOSFET-транзисторов и индуктивности.

Строго говоря, входной DC-DC преобразователь может быть в наличии и в повербанках без поддержки быстрой зарядки, если в устройстве применён аккумулятор с последовательным соединением элементов (в этом случае входное напряжение нужно сначала повысить до такого уровня, чтобы аккумулятор мог заряжаться).

Но повербанки с последовательным подключением элементов аккумулятора сейчас - редкость, поскольку их применение повышает стоимость изделия: в этом случае дополнительно требуется плата балансировки (выравнивания напряжения) элементов (BMS). Без этой платы одни из последовательных элементов могут попасть на перезаряд, а другие - наоборот, на переразряд, что для них крайне вредно.

Но это было "лирическое отступление", рассмотрим отдельные блоки структурной схемы; но сначала посмотрим на пример вскрытого повербанка (его обзор - на стороннем ресурсе):

Итак, центральная составная часть повербанка - это аккумулятор.

По счастливому совпадению, массовое производство повербанков началось тогда, когда промышленность уже освоила производство лёгких и энергоёмких литий-ионных аккумуляторов; они и стали основой повербанков.

Повербанки на основе никель-кадмиевых и других "древних" аккумуляторов если и выпускались когда-то, то широким народным массам остались неизвестными.
 

Следующая неотъемлемая часть повербанка - контроллеры заряда и разряда аккумулятора.

Для повербанков с простой конфигурацией (без поддержки "быстрой зарядки") сейчас часто вообще все составные части структурной схемы размещают в одном чипе; на фото - пример платы с контроллером всех функций повербанка в одной микросхеме:

Но в общем случае они могут быть не обязательно объединены в одном чипе, могут быть и раздельными. Наиболее часто раздельной делается цифровая индикация заряда.

Задача контроллеров заряда и разряда - уберечь аккумулятор от всяческих неприятностей: перезаряда, переразряда, превышение тока заряда или разряда, превышение напряжения заряда. От перегрева, как правило, они не защищают; это задача самого потребителя путём создания комфортных условий для повербанка (заряжать на свободном для естественной конвекции воздуха месте, и притом вдали от источников тепла).

В контроллере разряда повербанков есть существенная для некоторых применений "тонкость": они выключают повербанк при слишком малом потреблении нагрузки (в разных контроллерах величина тока автоотключения - разная, но обычно колеблется в пределах 25 - 100 мА).

В этом есть и "плюс", и "минус".

"Плюс" - в том, что при отключении нагрузки повербанк перестаёт работать вхолостую и, таким образом, экономится заряд аккумулятора.

А "минус" - в том, что становится невозможной работа с устройствами с малым потреблением тока. Конечно, можно повербанк дополнительно подгрузить банальным резистором, чтобы он не выключался; но это приведёт к излишнему расходу заряда.

Вторая "тонкость": обратите внимание на блок-схеме на линию, замыкающую вход и выход устройства. Это - не ошибка: во многих (но не во всех) повербанках вход и выход, действительно, замкнуты между собой. В таких случаях контроллеры заряда-разряда сами решают, что им надо делать: заряжать или заряжаться, и никогда не ошибаются!
 

Часто контроллер заряда-разряда объединяется со схемой управления индикатором заряда.

Индикатор может быть как очень простым, так и "навороченным".

В простейшем случае индикатор состоит из единственного двухцветного светодиода: горит красным - идёт зарядка; горит зелёным - зарядка завершена.

В "среднем" случае индикатор - более продвинутый и состоит из 4-5 светодиодов (как на приведённом выше примере платы повербанка); а количество светящихся светодиодов и отображает приблизительно уровень заряда.

Фото - индикатор заряда из 4-х светодиодов как отдельное устройство для конструкций "сделай сам" (вид спереди и сзади):

И, наконец, самые "крутые" индикаторы показывают заряд в процентах с шагом в 1%.

Фото - цифровой индикатор уровня заряда:

Последние два типа индикаторов (столбчатый и цифровой) - весьма полезны, поскольку позволяют пользователю предсказать время до окончания процесса зарядки; или просто прервать этот процесс, если уровень заряда уже достаточно высок (75-90%).
 

Следующая необходимая составная часть повербанков - DC-DC преобразователь (-и), а для повербанков с поддержкой "быстрой зарядки" - с  контроллером таковой. На приведённых выше фотографиях с платой контроллера повербанка заметна необходимая часть DC-DC преобразователей - индуктивность на ферритовом сердечнике (или внутри него).

Необходимость существования по крайней мере одного такого преобразователя связана с тем, что напряжение на аккумуляторе - не такое, какое требуется для питания современных мобильных устройств.

Номинальное напряжение одноэлементного литий-ионного аккумулятора составляет 3.7 В, в то время как для питания мобильных устройств требуется 5 В или выше (9 В, 12 В и т.д.).

И вот здесь есть важная "тонкость" функционирования повербанков: из-за необходимости преобразования напряжения повербанк отдаёт в заряжаемое устройство меньшую ёмкость, чем получил её сам!

Это связано не с потерей КПД, а с принципом работы повербанка. По закону сохранения энергии, если DC-DC преобразователь во сколько-то раз повышает напряжение, то во столько же раз он понижает ток. Классика школьной физики!

Таким образом, в типовом случае, когда DC-DC преобразователь повышает напряжение с 3.7 В до 5 В; то напряжение повышается в 1.35 раза, и во столько же раз на выходе снижается ток. То есть, ток составляет 74% от того тока, который отдаёт аккумулятор. Это - максимально достижимый КПД для "простых" повербанков. На деле КПД оказывается ещё чуть ниже из-за тепловых потерь в преобразователе.
 

О поддержке режима "быстрой зарядки"

Систем "быстрой зарядки", созданных разными производителями мобильной техники, существует великое множество. Первоначально режим назывался просто QC (quick charge); затем родились многочисленный разновидности: QC2, QC3, PD (Power Delivery), TurboPower, Pump Express, и т.д., каждый раз с "дальнейшим улучшением и ускорением".

Почему они родились?

Для ускорения заряда мобильного устройства нельзя просто взять, и повысить ток, передаваемый в мобильное устройство от его зарядки. От высокого тока могут просто отгореть контакты разъёмов, да и потери в кабеле тоже окажутся значительными.

Выход простой: для передачи высокой мощности надо повысить напряжение и понизить ток; а на приёмной стороне перед заливкой заряда в аккумулятор выполнить обратную операцию.

Управляет этим процессом заряжаемое устройство: оно отдаёт в зарядное устройство команды на повышение напряжения. Эти команды передаются по информационным линиям USB, но они не обязательно должны быть цифровыми. Управление может осуществляться и аналоговым способом (передачей определённых уровней напряжения).

Вот для обслуживания этих команд и нужен контроллер "быстрой зарядки" (QC, QC2, QC3 и т.д.).

Что интересно: когда заряжается сам повербанк с поддержкой "быстрой зарядки", то уже он отдаёт команды на подъём напряжения сетевому зарядному устройству.
 

Как выбрать повербанк (power bank)

В заключение - несколько слов о том, на какие параметры повербанка надо обратить внимание при его покупке (в порядке убывания значимости).

1. Самый главный параметр - ток, отдаваемый в нагрузку. Большинство современных смартфонов требуют от зарядного устройства ток до 2 А при напряжении 5 В; и покупать для них слабый повербанк с отдаваемым током менее этой величины нет смысла. Причём в повербанках с поддержкой "быстрой зарядки" это требование выполняется автоматически.

Для подзарядки устройств с малым потреблением (кнопочных телефонов, наушников, плееров и т.) можно купить и маленький легкий повербанк с небольшим током выхода (0.8 - 1 А).

2. Ёмкость повербанка - тоже, без сомнения, очень важный параметр. Конечно, чем больше ёмкость - тем лучше; но и тем тяжелее повербанк. Так что решать здесь надо, исходя из реальных потребностей.

Для обычного "городского цикла" будет вполне достаточно небольшого повербанка на 5000 - 10000 мАч, а для долгих путешествий вдали от розетки желательна ёмкость 20000 мАч и выше.

3. Поддержка "быстрой зарядки". Эта функция - не критична, но удобна; хотя и может несколько снизить срок жизни аккумулятора.

4. Количество и тип выходов. Не всегда есть смысл в нескольких выходах, поскольку, заряжая сразу два мощных устройства, можно создать перегрузку повербанку. Польза от двух и более выходов есть, если заряжать одновременно два слабых устройства или одно слабое и одно - мощное.

5. Возможность "сквозной" зарядки, когда к повербанку во время его зарядки подключается на зарядку ещё одно устройство. Такой режим работает не во всех повербанках; а если работает, то требуется зарядное устройство повышенной мощности: оно ведь заряжает сразу два устройства! Поддержка этого режима, к сожалению, не оговаривается в спецификациях повербанков.

6. Наличие в повербанке собственной солнечной батареи. Эта функция - чисто для запудривания мозга потребителя, и не более того. Площадь и электрическая отдача солнечной батареи на поверхности повербанка настолько малы, что для полной зарядки повербанка может потребоваться несколько суток при абсолютно солнечной погоде. Одновременно аккумулятор будет перегреваться на солнце, что сократит срок его жизни.

Дополнительный материал:

1. Статья "Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор телефона, ноутбука и других устройств"

2. Обзор платы контроллера повербанка

  Ваш Доктор.
 30 августа 2021 г.

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

  Комментарии вКонтакте: