как сделать мощный аккумулятор для ноутбука

Разработка power bank для ноутбука. От макета к готовому изделию. Часть первая

Сделать себе внешний аккумулятор для ноутбука я хотел уже давно, 3-4 года назад для работы в парке. Хоть и мечта рисовать схемы и трассировать платы в парке Горького или Битцевском лесу так и не реализовались (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 почему я делал то, что уже есть на рынке, под катом.

Изначально я хотел написать небольшую статью про разработку PowerBank, но когда начал — понял, что одной частью не обойтись. Поэтому я разбил ее на 4 части и сейчас предлагаю вашему вниманию первую из них: макет (схемотехника).

Очевидно, что разработка любого электронного устройства начинается с технического задания (ТЗ), поэтому я обозначил для себя ряд параметров, которые мой PowerBank должен обеспечить:

Комментируя схему, могу сказать, что управляющий МК я мог бы взять с USB, но побоялся трудностей разработки ПО для USB (в последствие понял, что зря) поэтому поставил преобразователь USART — USB.

Поскольку устройство изначально разрабатывалось для себя, то было решено делать макет преимущественно из тех деталей, которые были у меня в наличии и с которыми я уже работал (чтобы избежать подводных камней). При этом оптимизация по цене на этом этапе не проводилась. Поэтому я выбрал следующие комплектующие для PowerBank:

С учетом того, что выходное напряжение устройства 19В опять же наиболее выгодной является конфигурация 4s1p.

Теперь рассчитаем некоторые параметры АКБ при условии емкости 60Вт*ч, конфигурации 4s1p (напряжение 14,8В):

Полученная цифра показалась мне слишком маленькой (ну или аппетит пришел во время еды) и я решил перейти к конфигурации 4s2p на ячейках LP 5558115 3500mAh, которые были в наличие. Итого мы имеем:

Емкость АКБ: 7А*ч (103Вт*ч)
Напряжение: 14,8В

Такой результат меня вполне устроил — это было больше, чем две внутренние батареи моего ноутбука (ASUS S451L, 46Вт*ч). Началась разработка макета…

На этапе макета я хотел заложить несколько дополнительных возможностей:

Схема разбита на 3 блока:

Плата содержит 4 слоя по 18мкм, общая толщина 1мм, заказывал на seeedstudio.com.

Теперь пришло время коснуться главного показателя качества железа — это КПД всей системы в целом. Точнее у нас 2 КПД: при зарядке АКБ и при разряде. Строго говоря КПД при заряде стоит оптимизировать только для уменьшения нагрева устройства(рассчитывая, что энергии для заряда у нас много), в то время как потеря КПД при разряде фактически уменьшает реальную емкость PowerBank. Составим перечень элементов непосредственно влияющих на КПД при заряде:

ACFET — транзистор предотвращающий появление напряжения на разъеме внешнего питания при работе PowerBank от АКБ.
HighSideFET — 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 только статические потери поскольку они постоянно открыты и представляют собой резисторы с сопротивлением равным сопротивлению открытого канала транзистора Rds_on, поэтому эти транзисторы должны иметь как можно меньший Rds_on. Корпуса транзисторов я выбрал pqfn3.3×3.3 как подходящие по мощности и имеющие меньший размер по сравнению с моими любимыми pqfn5x6. С наименьшим сопротивлением канала из легкодоступных были IRFHM830D (Rds_on = 5мОм + диод Шоттки).

Транзисторы HighSideFET и LowSideFET работают в импульсном режиме, их выбор сложен и будет рассмотрен позже.

Попробуем оценить потери при входном напряжении 19В, токе заряда АКБ 4А, конфигурации 4s1p:

CellCS — ток через него равен току заряда, сопротивление 5мОм, потери:

CHGRCS — ток через него равен току заряда, сопротивление 10мОм, потери:

CHGFET и DSGFET — ток через них равен току заряда, сопротивление 5мОм, суммарные потери:

ACFET — ток через него равен входному току(возьмем максимально возможный ток входа 3,5А это максимум того, что может выдать штатное ЗУ ноутбука), сопротивление 5мОм, потери:

Сюда же можно прибавить потери на сопротивлении проводов ячейки-плата, а также дорожек самой платы. Я вычислил их путем измерения падения напряжения при токе в цепи АКБ равном 4А, оно составило 36мВ, что соответствует мощности:

BuckInductor — потери в дросселе можно разделить на 2 составляющие:

Для того, чтобы получить суммарные потери при заряде необходимо оценить потери на транзисторах HighSideFET и LowSideFET. В этом мне помогал апнот AN-6005 от fairchildsemi. Если кратко, то на вкладке ControllerDriver добавляем в базу наш контроллер и вписываем требуемые параметры в таблицу:

Данные берем из документации на BQ40Z60. Далее заполняем таблицу с параметрами транзисторов HighSideFET и LowSideFET на вкладке MOSFETDatabase:

Данные также берем из документации на транзисторы. Я экспериментировал со многими транзисторами(видно по базе) потому как частота преобразования в 1МГц это довольно высоко. Из всех транзисторов, которые я мог быстро достать самыми лучшими оказались CSD17308 от TI. Впрочем это как раз рекомендованные транзисторы с кита BQ40Z60EVM. Самыми лучшими по расчетам оказались eGaN транзисторы от EPC (Efficient Power Conversion), но цена 500р, месяц ожидания и специфический корпус 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 нужно понимать, что это довольно эмпирический показатель.

На вкладке EfficiencySummary выбираем контроллер, используемые транзисторы и их количество, задаем параметры источника и нажимаем кнопку Run.

Для тока заряда 4А и входного напряжения 19В потери составят 1,17Вт. Общие потери:

После сборки макета я измерил схемы заряда при параметрах таких же как при оценочных расчетах:

КПД схемы 97,1%, при этом мощность потерь составила 1,908Вт при расчетных 2,07Вт. Что ж очень близко получилось прикинуть потери. Термограмма работающего устройства показана на рисунке.

Окружающая температура 23 градуса, плата без корпуса. 58 градусов в самой горячей точке (перегрев получается 58-23=35 градусов) при фольге в 18мкм это очень хороший показатель. Дроссель при этом нагрелся до 40 — скорее всего его подогревают транзисторы. Сам контроллер разогрелся до 52 градусов.

Теперь перейдем к оценке КПД системы при разряде. C начала оценим потери в самом преобразователе. Для этого составим перечень элементов непосредственно влияющих 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 конечно потребление самого контроллера LTC3780. Подробно не буду останавливаться на работе микросхемы, скажу только, что она фактически представляет собой понижающий преобразователь стоящий после повышающего с общим дросселем. В зависимости от входного и выходного напряжений работает либо одна часть, либо вторая, либо обе(при примерном равенстве входного и выходного напряжений).

Для расчета КПД преобразователя будем использовать следующие параметры:

Условимся, что ноутбук потребляет всегда по максимуму. В реальности это близко к истине, поскольку при подключении внешнего источника он помимо энергии на работу потребляет еще и энергию на заряд внутренней АКБ, да и вообще при наличии внешнего питания в потреблении себе не отказывает. Напряжения соответствуют номинальному напряжению ячеек — 3,7В и пониженному — 3,3В. Важно отметить, что преобразователь в текущем устройстве всегда работает в повышающем режиме (входное напряжение никогда не превосходит выходного), однако это не значит, что транзисторы A и B не переключаются. Для зарядки конденсатора вольтдобавки(bootstrap) необходимо кратковременно выключать транзистор A и включать B(тоже самое будет происходить при работе в понижающем режиме для транзисторов С и D). У LTC3780 это происходит с частотой 40кГц.

Для оценки потерь воспользуемся xls файлом для LTC3780 из пакета LTpowerCAD2. Принцип работы похож на предыдущую работу с xls для BQ40Z60. Вводим все значения выходных напряжения и тока, входного напряжения, желаемую частоту преобразования, параметры ключевых транзисторов(я решил использовать CSD17308 как и в ЗУ). Дроссель был выбран IHLP5050EZER3R3M01 у которого типовое DCR = 7,7мОм. Для 3,5А индуктивность маловата, так случилось потому, что при закупке комплектующих я рассчитывал на выходной ток 4,5А. Для текущей конфигурации идеальным вариантом будет IHLP5050EZER4R7M01 с типовым DCR = 12,8мОм. Датчик тока — резистор типоразмера 2512 сопротивлением 5мОм.

После введения всех данных в полях MOSFETs Power Loss Break Down и Estimated Efficiency будут круговые диаграммы распределения потерь по компонентам и оценка КПД для указанного входного/выходного напряжений и тока нагрузки.

Оценка КПД очень оптимистичная — 98,79% при входном напряжении 14,8В и 98,51% при 13,2В (цифры без учета потерь в сердечнике дросселя). Основные элементы на которых происходят потери это дроссель/датчик тока(23%), транзистор A(25%) и D(38% от общих потерь).

Пришло время измерить реальный КПД.

Измеренный КПД — 96,93% при входном напряжении 14,8В и 96,35% при 13,2В. Проведем анализ полученных данных. Для этого переведем проценты КПД в мощность потерь:

В данном случае расхождения более существенны по сравнению с оценкой потерь в преобразователе ЗУ и составляют до 1,48Вт. Но если учитывать потери 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, а также:

CellCS — ток через него равен входному току преобразователя, сопротивление 5мОм, потери:

CHGFET и DSGFET — ток через них равен входному току преобразователя, сопротивление 5мОм, суммарные потери:

Тогда КПД PowerBank при разряде:

Термограмма преобразователя при входном напряжении 14,4В и выходном токе 3,5А показана ниже:

Самой горячей точкой оказался транзистор С, но его нагрев (при окружающей 21 градус) составил всего 41,1 градус после 30 минут работы. Понятно, что в корпусе эти цифры будут выше, но запас по перегреву огромный.

И в заключение первой части статьи хочется сказать, что работа была проделана очень большая, а во второй части статьи нас ждет разбор аппаратных и программных грабель при запуске макета, конфигурирование BQ40Z60 и ПО для STM32F0. Надеюсь было интересно.

P.S.: Архив с проектом платы и исходники будут выложены в следующих частях статьи.
P.P.S. заметил, что забыл почти самое важное для этой части статьи — фото макета. Исправляю

На плате можно видеть следы исправлений, а также следы ношения в открытом виде в рюкзаке(сгоревшие дорожки в районе подключения АКБ). Макет конечно не самый элегантный, но даже в таком виде его можно использовать.

Источник

Гальваническая банка. Делаем power bank для ноутбука в домашних условиях

Содержание статьи

Я — счас­тли­вый обла­датель ноут­бука Asus серии K53, который под наг­рузкой куша­ет поряд­ка 70 Вт. Сле­дова­тель­но, про­вод с триг­гером быс­трой заряд­ки на 12 В и пла­та‑повышай­ка с «Али­экс­прес­са» тут не помогут — быс­трая заряд­ка Quick Charge 3.0 выда­ет мак­симум 12 В / 1,5 А (18 Вт) минус потери из‑за не 100%-го КПД пре­обра­зова­теля. Более мощ­ную «бан­ку» с Power Delivery я покупать не хочу. Ком­плект смен­ных акку­муля­торов не вари­ант, ноут­бук с заряд­ным и так весит боль­ше 3 кг.

Ко­роче, я у мамы инже­нер, недав­но при­шел новень­кий паяль­ник с «Али», в ящи­ке валя­ется мешок банок 18650, и как раз при­еха­ли пла­ты BMS и понижа­ющий модуль. Решено было собирать свой акку­муля­тор, что я и сде­лал, пос­вятив это­му занятию три сво­бод­ных вечера.

Требования

Крат­ко обри­сую тре­бова­ния, которые я предъ­являл к сво­ей самодел­ке.

Материалы

Здесь все стан­дар­тно для такого рода гад­жетов. Собс­твен­но акку­муля­тор­ные ячей­ки, пла­та BMS, вход­ной понижа­ющий и выход­ной повыша­ющий пре­обра­зова­тели, кон­трол­лер быс­трой заряд­ки для USB-выхода и рас­ходни­ки для кор­пуса.

С акку­муля­тора­ми тоже все тра­дици­онно: литий‑ион­ные ячей­ки типораз­мера 18650 проч­но засели в арсе­нале самодель­щиков и позиции сда­вать не собира­ются. Они емкие, удоб­ны для соз­дания батарей, отно­ситель­но недоро­ги, и их мож­но за копей­ки (а то и бес­плат­но) наб­рать в сер­вис‑цен­трах из дох­лых ноут­бучных батарей. Емкость в таком слу­чае оставля­ет желать луч­шего, но зато это край­не дос­тупный вари­ант для деревен­ских нищеб­родов вро­де меня.

Пла­та BMS (Battery Management System) нуж­на всег­да, если пос­ледова­тель­но соеди­няет­ся боль­ше одной ячей­ки. Дело в том, что даже про­изве­ден­ные в одной пар­тии акку­муля­торы име­ют слег­ка раз­личные харак­терис­тики, в час­тнос­ти — емкость. При пос­ледова­тель­ном соеди­нении яче­ек раз­ной емкости они будут раз­ряжать­ся нерав­номер­но, то есть минимум одна ячей­ка уйдет в перераз­ряд. А, как ты зна­ешь, перераз­ряд для лити­евых банок — это не прос­то пло­хо, а очень пло­хо.

Об­ратное про­изой­дет при заряд­ке такой батареи: менее емкие ячей­ки зарядят­ся быс­трее, и даль­нейшая заряд­ка при­ведет к некон­тро­лиру­емой реак­ции горения, в прос­тонародье зовущей­ся взры­вом. Горящие лити­евые акку­муля­торы, рас­кидыва­ющие вок­руг кус­ки адско­го неуга­симо­го пла­мени, конеч­но, выг­лядят кра­сиво, но это небезо­пас­но, так что давай не будем доводить их до такого сос­тояния, а прос­то вос­поль­зуем­ся BMS.

Гра­мот­ные BMS име­ют в сос­таве балан­сиров­щик яче­ек и схе­му защиты, которая отклю­чит батарею в слу­чае перег­рузки, переза­ряда или перераз­ряда, и сто­ят при этом все­го пару бак­сов. Впро­чем, силь­но эко­номить на защите не сле­дует, так что перед покуп­кой все же почитай отзы­вы. Попада­лись пла­ты, в которых заяв­ленный балан­сиров­щик не работал или вооб­ще отсутс­тво­вал.

Вы­ход­ной DC-DC-пре­обра­зова­тель — это то, на чем я решил сэконо­мить, и горь­ко об этом пожалел, но об этом чуть поз­же. Его задача — обес­печить тре­буемое ста­биль­ное выход­ное нап­ряжение из нап­ряжения нашей батареи. В иде­але он дол­жен иметь защиту от корот­ких замыка­ний и перег­рузки, что­бы потом не думать, чем его заменить. Ну и хоть неболь­шой ради­атор, по опы­ту, точ­но не пов­редит.

Быс­трая заряд­ка — отдель­ная тема. Как ты зна­ешь, она исполь­зует линии дан­ных в USB, что­бы устрой­ство мог­ло догово­рить­ся с заряд­ником о нап­ряжении и токе заряд­ки. Стан­дарт прос­той, и ты можешь даже сам реали­зовать заряд­ное с его под­дер­жкой, если руки рас­тут из нуж­ного мес­та. Но для меня было дешев­ле и про­ще купить готовую пла­ту с кон­трол­лером, бонусом получил под­дер­жку не толь­ко Quick Charge 3.0, но и пол­дюжины дру­гих про­токо­лов.

Стан­дарты быс­трой заряд­ки

На Хаб­ре была хорошая статья об исполь­зовании умных заряд­ников в сво­их целях. Там же опи­сан про­токол, что поможет тебе соз­дать соот­ветс­тву­ющее спе­цифи­кации заряд­ное устрой­ство самос­тоятель­но.

Рас­ходни­ки есть в гараже у любого ува­жающе­го себя тех­наря. Это гнез­да 5,5 × 2,5, про­вода, при­пой, орг­стек­ло или плас­тик, кноп­ка, диоды и вся­кое такое.

У гнез­да, как ты пом­нишь, три кон­такта: один внут­ренний (+) и два внеш­них (–). Внеш­ние я соеди­нил перемыч­кой для сни­жения наг­рузки. Если не хочешь проб­лем, тебе сто­ит сде­лать так же.

Продолжение доступно только участникам

Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее

Источник

Внешний дополнительный аккумулятор (powerbank) для ноутбука – как сделать портативную переносную зарядку

Зарядите свой ноутбук в дороге с помощью 5-вольтового пауэрбанка для зарядки мобильных телефонов! Да, да, это возможно! Теперь вы стали более независимы от розетки: в самолете, поезде или джунглях. Стоимость пауэр банк для ноутбука составит всего лишь 10-30 долларов!

Вам даже не нужна пайка, все, что от вас потребуется, это просто прикрутить провода!

Вы, конечно, можете приобрести дополнительный аккумулятор для ноутбука, предназначенный для зарядки, например, вот этот, на 19 вольт. Но все дело в том, что из-за низкого спроса, цены на такие пауэрбанки просто сумасшедшие: от 150 до 300 долларов!

А еще такие внешние аккумуляторы для ноутбука вызывают некоторые подозрения: похоже, что это обычные Li-Po батареи со встроенным усилителем напряжения (это как раз то, что мы с вами собираемся делать, только в 10 раз дешевле!).

Шаг 1: Подготовка

Первоначально, переносной аккумулятор для ноутбука был разработано в рамках проекта developed during a Hiking-Hack Art, Tech, and Science project. Мобильные вычислительные лаборатории требуют портативного питания в течение нескольких дней. А поскольку такие экспедиции обычно имеют ограниченный бюджет (если он вообще есть), то требуются дешевые мощности.

Как уже упоминалось выше, вы можете купить специальный повер банк для ноутбука, но он слишком дорогой! За гораздо меньшие деньги вы можете получить такую же энергоемкость, и заряжать свой гаджет от устройства стоимостью 10-30 долларов.

Некоторые мощные батарейные блоки могут обеспечивать электроэнергией ноутбук до 9 дней! Вы также можете подключить ваш преобразователь к 5-вольтовому зарядному устройству для мобильных телефонов, хотя у него может не хватить мощности для зарядки.

Powerbank для ноутбука незаменим в путешествиях! USB пауэрбанк станет универсальным источником питания для ваших устройств!

Шаг 2: Материалы

Все что вам нужно, это недорогой пауэрбанк, преобразователь-повышатель напряжения и кабель для зарядки.

Если у вас есть ноутбук Apple, то приобретите двойной зарядной кабель: для Apple и стандартный разъем.

Шаг 3: Подключаем ввод

Многие люди пугаются одного вида проводов. В этом проекте паять ничего не нужно! Провода соединяются посредством винтовых клемм.

Шаг 4: Подключаем выход

Теперь подключите зарядный кабель для ноутбука к выходу преобразователя: положительный провод к «+», отрицательный – к «-». Перед этим не забудьте снять изоляцию с концов проводов кабеля.
Подключите штекер кабеля к ноутбуку!

Если все подключено правильно, ваш ноутбук начнет получать питание!

Некоторые ноутбуки более энергоемкие, чем другие, поэтому вести они будут себя по-разному. Например, 15-дюймовый MacBook Retina, при подключении к нему нашего питания, будет отображать надпись: «Подключен, нет зарядки», но все равно он будет работать более 14 часов. Другие, менее мощные ноутбуки, потребляют меньше энергии и поэтому уже смогут заряжаться от нашего устройства. Естественно, они будут заряжаться быстрее в выключенном состоянии.

Шаг 5: 24-часовая проверка работы

При работе ноутбука от зарядного устройства, у вас будет достаточно времени вдоволь наиграться в любимые игры.

Единственный недостаток устройства со встроенным дисплеем – это мерцание цифр дисплея, что может немного настораживать ваших попутчиков в самолете.

Так что лучше спрячьте свой прибор в карман сиденья самолета и наслаждайтесь в полете своими любимыми компьютерными играми!

Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.

Источник