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:

• входное напряжение 19В (для возможности зарядки от стандартного ЗУ ноутбука)
• выходное напряжение 19В (как и у стандартного ЗУ)
• максимальный выходной ток 3,5А (как и у стандартного ЗУ)
• емкость ячеек не менее 60Вт*ч (+1 внутренняя АКБ)

Помимо основных требований я добавил еще несколько:

• КПД преобразователя и ЗУ не ниже 94% — чтобы обойтись без радиаторов.
• Частота преобразователя не ниже 300кГц — чтобы уменьшить размер самого преобразователя.
• USB порт для просмотра основных сведений о PowerBank таких как уровень заряда, здоровье, количество пройденных циклов, температура, ток и напряжение ячеек АКБ и т.д.
• Софт на ПК(Windows) для просмотра основных сведений о PowerBank.
• Возможность менять выходное напряжение, либо присутствие дополнительного выхода 5В для зарядки USB устройств.
• Светодиодная индикация уровня заряда и состояния PowerBank.
• Кнопка(Кнопки) для включения PowerBank и просмотра уровня заряда.

Для начала разработки я сделал структурную схему будущего устройства:



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:

1. МК — STM32F051K4U6 с прицелом заменить на STM32F042K4U6.
2. Преобразователь USART<->USB — CP2102. Стоит не дорого, работает нормально, места занимает мало, обкатанное решение.
3. Импульсный преобразователь напряжения — LTC3780IG. Далеко не самый дешевый/оптимальный вариант, но повышающе-понижающий, может 400кГц, имеет внешние ключи, обкатанное решение. В перспективе замена на LM5175 от TI или применения синхронного повышающего преобразователя.
4. Линейный стабилизатор — LP2951ACD-3.3. Он был в наличии, не лучший вариант. Ток собственного потребления до 120мкА с прицелом заменить на MCP1703T-3302E/CB с током собственного потребления до 5мкА.
5. Светодиоды зеленые и красные размером 0805.
6. Кнопки обычные тактовые SMD.

Отдельно коснемся выбора зарядного устройства (ЗУ) и системы контроля и управления Li-ion аккумуляторами (Li-ion Battery Management System или BMS). Несколько лет назад я занимался ремонтом ноутбуков и в батареях частенько видел BMS от Texas Instruments. Поэтому в первую очередь я стал искать решение для своего устройства именно от этого производителя. Стоит отметить, что в общем-то альтернативы и нет поскольку производит подобные микросхемы лишь несколько контор (TI, Maxim, немного LT, ST-забросили, Intersil-экзотика для нас, может есть еще, но я не знаю). Так вот бродя по просторам сайта ti.com я наткнулся на очень интересную микросхему BQ40Z60RHBR это ЗУ и BMS в одной микросхеме. Она мне очень понравилась потому как заменяла собой 2 микросхемы. Такое решение явно дешевле, чем если делать отдельно ЗУ и BMS и места меньше занимает. Основные ТТХ микросхемы BQ40Z60:

• Ток заряда: до 4А
• Количество ячеек: до 4х
• Частота преобразования: 1МГц
• Входное напряжение: до 25В
• Емкость ячеек: до 65А*ч
• Функция балансировки
• Конфигурируемые светодиоды для индикации (заряд, емкость)

Микросхема достаточно новая (выпуск конца 2014 года), поэтому информации по ней мало и я немного переживал из-за этого зная, что BMS от TI достаточно сложны в программировании, а это еще и комбо (ЗУ + BMS). Также немного переживал из-за возможных косяках в кристалле, но зная, что буду использовать лишь базовый функционал надеялся, что никаких проблем не будет. Впрочем забегая вперед скажу, что так и вышло.
Кстати я не зря до этого не говорил практически ничего про ячейки и конфигурацию АКБ, только сейчас настал момент перейти к выбору. Для оптимального выбора конфигурации АКБ есть несколько критериев:

1. Для уменьшения потерь на проводах нужно минимизировать токи между узлами устройства. С учетом этого батарея из 4х последовательно соединенных ячеек (общепринятое обозначение 4s1p или 4-serial 1-parallel) выгоднее, чем 4 параллельные ячейки (1s4p) см. рисунок.
   
   
   
   
2. Поскольку ток заряда ограничен, то для того, чтобы повысить мощность (и скорость) заряда АКБ мы должны увеличивать напряжение. Этот критерий тоже за конфигурацию 4s1p.
3. КПД преобразователя падает при росте разницы между входным и выходным напряжением. Вот график из документации на преобразователь MP2307DN.
   
   

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:

• подключил светодиоды BQ40Z60. У них есть функционал индикации уровня заряда с настраиваемыми порогами, а также процесса зарядки.
• добавил возможность регулировать частоту/режим работы (разрывных или неразрывных токов) преобразователя (с помощью ШИМ МК + RC-фильтр).

Схему обвязки BQ40Z60 срисовал с отладочной платы BQ40Z60EVM-578, обвязка LTC3780IG из ее документации, все остальное делал сам. В итоге получилась следующая схема.

Схема разбита на 3 блока:

• Блок преобразователя напряжения
• Блок ЗУ+BMS
• Блок управления на МК

Комментарии к схеме: блок преобразователя и ЗУ+BMS сделаны по схемам из документации [1],[2], блок управления делался из расчета реализовать спящий режим для минимального тока потребления в выключенном режиме. Забегая вперед скажу, что в паре моментов я таки накосячил, но с помощью ножа и паяльника смог заставить макет работать как надо. Полученная плата показана ниже:



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 pqfn3.3x3.3 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:

• потери на активном сопротивлении обмотки (DCR — dc winding resistance). Для выбранного дросселя IHLP2525CZER2R2M01 типовое значение DCR = 18мОм, что при среднем токе 4А даст потери:
  
  
  
  
• потери в сердечнике достаточно тяжело посчитать имея только данные из документации, поэтому верим заверениям Vishay что их материалы супер крутые, к тому же пульсации тока у нас в районе 20%, поэтому принимаем потери в сердечнике нулевыми.

Итого суммарные потери при заряде на статических компонентах составляют:



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.