Как сделать самодельный power bank
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.
Как из хлама сделать мощный Powerbank
Решил сделать Powerbank и не, а бы какой, а большой емкости. В магазинах таких очень много. Собрать самому подобный, не составит труда.
Какие детали понадобятся для самодельного Powerbank?
У меня есть сборка аккумуляторов, параллельно соединенных 18650. Общая емкость аккумуляторов 20000 мАч.
Я уже когда-то припаял к ним платы BMS. Каждые четыре элемента имеют свою плату защиты. Каждая плата рассчитана на ток около одного ампера. Выходы платы соединю параллельно.
Нужно установить на выходе наши 5 Вольт. Модуль выдерживает 2 Ампера.
Правда у него есть недостаток, зарядный ток всего один Ампер. Полностью разряженные аккумуляторы будут заряжаться около суток. Если после использования Powerbank с телефоном сразу зарядить его, то время будет значительно меньше.
Подключать устройства к нашему Powerbank, буду с помощью стандартного USB.
Ну и главное в нашем устройстве конечно же корпус. Я выбрал коробку от сгоревшего тюнера Т2. В нее все отлично поместится.
Делаем мощный повер банк из барахла своими руками
Для начала нужно установить USB на переднюю панель. Я решил применить двойной разъем, выпаял его со старой материнской платы. Надфилем расширил отверстие. Закрепил разъем на эпоксидный клей.
Заряжать решил через разъем принтера. Благо я разобрал их в количестве. Установил разъем на отверстие, где раньше стоял сетевой провод. Расширив слегка отверстие, стал отлично.
Плату контроллера заряда установил на переднюю панель. Закрепил за разъем на эпоксидный клей. Плату установил светодиодами от себя. Так с легкостью можно контролировать процесс заряда. Так же установил выключатель. Им буду разрывать цепь питания повышающего модуля.
Припаял провода к USB и замкнул средние контакты. Это нужно для того, чтоб устройство заряжалось током более 0,5 ампер.
Аккумуляторы завернул в бумагу и вывел провода. Пару оборотов бумаги и получилась хорошая изоляция. Для фиксации я вырезал полоску металла и приклеил бумажный скотч в роли изоляции. Держится отлично.
Соединяю все модули. С зарядного разъема на контроллер заряда. С аккумуляторов на контроллер заряда. С контроллера заряда на повышающий модуль, разорвав цепь выключателем. Повышающий модуль притяну пластиковой стяжкой к скобе аккумуляторов.
Подключаем, с помощью шнура принтера, питание к нашему Powerbank. Индикацию отлично видно. В конце заряда загорится синий светодиод.
Все замеры выходной емкости показали, что примерная емкость по 5 вольтам более 14000 мАч. Как пишут на заводских устройствах, емкость 20000 мАч.
Вот такой Powerbank получился. Емкости его хватит на заряд многих устройств. Я же его буду применять для питания осциллографа.
«Мастерим из того, что есть!»
Смотрите видео
Как сделать повер банк своими руками — пошаговая инструкция в картинках
Внешние аккумуляторы для мобильных устройств нужны почти каждому пользователя, потому что современные смартфоны довольно быстро разряжаются, особенно при высокой нагрузке на процессор.
Можно сделать повер банк своими руками или купить его.
В данной статье рассмотрена самостоятельная сборка такого устройства.
Содержание:
Преимущества
Материалы
Изготовить самостоятельно внешний аккумулятор можно из носителей заряда любого типа.
Наиболее распространенными материалами являются:
В любом случае, вне зависимости от носителей, которые вы выбираете, вам потребуется контроллер заряда, к которому будет подключаться провод USB.
Естественно необходимо учитывать, что все носители должны быть исправны.
Читайте также:
Из телефонных аккумуляторов
Это достаточно простой способ. Устройство получается относительно компактным и удобным, а также, емким.
Для его изготовления понадобится 6 аккумуляторов – соответственно, чем больше у них емкость, тем больше будет суммарная емкость повер банка.
Сделать его можно так:
Оставьте пластиковую коробку разъемной для текущего ремонта и чистки, так как сквозь вырезанное отверстие может попадать пыль.
Обычно, такого устройства хватает на 4-5 циклов заряда среднего, не особо мощного, смартфона.
Из пальчиковых батареек
Этот способ также несложный, но он достаточно ненадежный.
Такие аккумуляторы тяжелые и не обладают достаточной емкостью.
Но они дешево стоят и просто собираются.
Устройство готово. Это повер банк очень малой емкости, но он компактен, обладает малым весом и его удобно носить с собой.
Из автомобильной зарядки
Таким способом получаются довольно мощные аккумуляторы большой емкости. Они подходят для подзарядки планшетов, ноутбуков и других энергоемких устройств.
Больше всего для этой цели подходят батареи формата 18650.
Достать их можно из батарей ноутбуков, но элементы должны быть исправны.
На различных сайтах очень дешево продаются рабочие батареи, но со сгоревшими контроллерами – такие как раз и подойдут для данного изделия:
Из фонарика
Стандартный карманный фонарик со светодиодом тоже можно превратить в power bank.
Для этого потребуется собственно сам фонарик с аккумулятором 3,7 вольт, контроллер заряда, как и в предыдущих примерах, преобразователь напряжения с выходом на USB.
Такой преобразователь нужен только в данном способе самостоятельной сборки устройство, так как выходные 3,7 вольт нужно преобразовать, в необходимые для зарядки телефона, 5 вольт.
Таким образом вы получаете достаточно удобный повер банк интересного дизайна. Кроме того он достаточно износостойкий и прочный.
Советы, как сделать powerbank (внешний аккумулятор) своими руками
Powerbank будет полезным устройством для тех, кто любит путешествовать или по долгу службы проводит много времени. Он позволит поддерживать необходимый уровень заряда смартфона, аккумуляторного фонарика, мобильной игровой консоли и других девайсов.
Если обратиться к powerbank широко известных брендов, то сразу бросается в глаза высокий ценник – покупка, скажем прямо, не для каждого бюджета.
В этой статье мы рассмотрим возможность сделать powerbank своими руками и при этом потратить не так много средств, как при покупке нового образца.
Плюсы и минусы такого подхода
Перед тем как сделать powerbank своими руками, рассмотрим некоторые сложности, с которыми можно столкнуться, а также и некоторые преимущества, чтобы каждый мог для себя решить, насколько готов погрузиться в данный проект.
Откровенно говоря, если в наличии нет ничего подходящего и все необходимые компоненты нужно приобретать с нуля, целесообразность затеи несколько снижается (если только у вас нет возможности покупать аккумуляторные батарейки и контроллеры по оптовым ценам). Наилучшим вариантом выглядит такой, при котором у вас уже есть хотя бы часть из необходимых составных частей.
Второй, также немаловажный момент – насколько вы технически подкованы, аккуратны и свободны в плане времени.
Если ответ на все три пункта положительный, а в ящике стола чудом завалялись несколько аккумуляторных батареек, то устраивайтесь поудобнее и продолжим.
Материально-техническая база для повербанка своими руками
Если все перечисленное имеется в наличии (или имеется возможность достать это без значительных трат), то двигаемся дальше.
Принципиальная схема
Процесс, как сделать powerbank своими руками можно разложить на такие составляющие:
Вот, собственно, необходимый минимум для того, чтобы сделать powerbank своими руками. Безусловно, предложенный вариант можно усложнить, но в данном случае во главе стоят простота и доступность.
Корпус устройства для powerbank своими руками
Разумеется, проектировать и сделать с нуля корпус powerbank своими руками не имеет никакого смысла – это трудоемкая, не оправдывающая затраченных усилий задача. Разве что под рукой есть 3D-принтер.
Основой для корпуса повербанка может стать подходящая по размеру, но уже не исправная техника (например, радиоприемник, карман для жесткого диска, корпус от походного фонаря). Тут необходимо будет проявить фантазию и некоторые задатки инженерной мысли.
Выбор элементов питания
Оптимальным решением, чтобы сделать powerbank своими руками, будет использовать собранные в параллельную сеть литиевые батареи.
Такие элементы обладают большой емкостью, практически не разряжаются в отсутствие нагрузок и выдерживают наибольшее количество циклов подзарядки. Аккумуляторы типа 18650 – то что нужно.
Возможно использование нескольких аккумуляторов от старых телефонов, которые еще сохранили емкость, но последующая замена комплектующих обойдется дороже, чем в случае с 18650.
Выбор контроллера
Тут все просто: если используется интерфейс usb, а в большинстве так и будет, подойдет любой контроллер с выходным напряжением 5 В. Покупка не составит труда, на одном только «Али-экспресс» можно найти с десяток различных вариантов.
Если вы в точности не понимаете, что представляет собой такого рода контроллер, то изучите вопрос подробней по доступным в сети интернет-материалам.
Сделать powerbank своими руками
Когда все перечисленные компоненты будут в наличии, можно приступить к процессу монтажа и сборки.
Вот так незамысловато выглядит процесс сборки powerbank своими руками.
Для тех, кто не очень любит проводить много времени за пайкой, продаются стартер-киты, которые без проблем собираются руками, но экономия в таком случае будет меньше.
Есть ли смысл делать powerbank своими руками?
Изучив доступный на популярных торговых интернет-площадках ассортимент, можно с уверенностью сказать, что этот проект скорее для тех, кому по душе такое времяпровождение.
Цена на такого рода устройства стартуют от 700 рублей и, хотя это далеко не идеальный повербанк, он не сильно будет отличаться от собранного своими руками.
Но если вы получаете фан от работы руками и головой и с электроникой, что называется, «на ты», можете доказать китайским рабочим, что им еще далеко до ваших «кастомных» разработок.
Любые элементы питания со временем приходят в негодность, поэтому не нужно забывать об их правильной утилизации. Выброшенная вместе с бытовыми отходами батарейка наносит значительный ущерб окружающей среде.