Меню

Зарядное устройство для быстрой зарядки схема



ЭЛЕКТРОНИКА Quick Charge

ТехнарьКто

ТехнарьКто

Прибор для проверки функций быстрой зарядки собран на коленке из 9 резисторов и одного стабилитрона.
Легко собрать — просто и быстро проверить наличие QC2.0/3.0.
1.triger.jpg

Тестирование функции Quick Charge 3.0
4.QC3-7.5V.jpg

Маркетинговое описание.
Основной функцией Quick Charge 3.0 является INOV (Intelligent Negotiation for Optimum Voltage, Умное определение оптимального напряжения), позволяющая определить выходную мощность и, таким образом, оптимизировать процесс зарядки. Прежде всего, разным батареям при зарядке требуется различное напряжение. В версии 2.0 поддерживались четыре режима (5 вольт / 2 ампера, 9В/2A, 12В/1,67A и, опционально, 20 вольт). Quick Charge 3.0 «общается» с девайсом, запрашивая у него требуемое напряжение, которое может быть любым в диапазоне от 3,2В до 20В с шагом в 200 милливольт. Таким образом, обеспечивается больший выбор доступных показателей напряжения.

Если перевести на технический язык — зарядное устройство называемое маркетологами Quick Charge 3.0 по запросу гаджета в режиме совместимости c Quick Charge 2.0 обязано выдавать 5V, 9V, 12V и для «Class B» 20V. В режиме работы просто как Quick Charge 3.0 регулировать ступеньками в 0,2V от 3,6V до 12V «Class A» или до 20V «Class B».

В связи с огромным количеством подделок зарядных устройств с гордой надписью QC3.0 и был собран триггер или тестер кому как нравиться. Любой может купить китайский триггер или собрать свой на микропроцессоре поэтому было принято решение собрать из чего-то максимально простого. Сначала хотел из одних диодов но решил, что на резисторах схема будет проще для повторения. Возможно кому и пригодиться.

Как обычно взял лист и нарисовал схему.
8.QC-tester.jpg

Для инициализации сразу подаю на D+ и D- по 0.6V (реально получилось 0.8), затем коротким нажатием 1-й кнопки создавая уровень 3.3V (реально чуть более 2-х вольт) переключаю зарядку в режим QC3.0 заставляя выдавать 12V в режиме совместимости с QC2.0. Нажатием и удержанием 3-й кнопки заставляю перейти в режим 9V совместимости с QC2.0. Отпустив 3-ю кнопку кратковременными нажатиями на 2-ю кнопку уменьшаю напряжение с 12V. Далее просто нажимая кнопки 2 и 3 можно увеличивать или уменьшать напряжение с шагом 0,2V в полноценном режиме работы QC3.0.

Тест напряжения 9V
2.QC2-9V.jpg

Тест напряжения 12V
3.QC2-12V.jpg

На плате в белой термоусадке находятся резисторы R1 и R2. Чтобы случайно не замкнуло на стабилитрон.
6.pered.jpg

Как обычно корявая пайка на задней стороне макета
7.zad.jpg

При покупке зарядного устройства с функцией быстрой зарядки без проверки сложно быть уверенным в наличии функционала быстрой зарядки. На aliexpress большая часть устройств является подделкой. Поскольку телефон определяет функцию быстрой зарядки по наличию сопротивления между контактами USB D+ и D- то китайцы просто закорачивают выводы и некоторые телефоны могут вводить пользователя в заблуждение. Поэтому для проверки функционала и был сделан данный гаджет.

Корпус распечатан из уменьшенной модели какой-то мыльницы. Поэтому файлы модели корпуса не прикладываю.

Теоретически зажав и удерживая кнопки 2 и 3 должно получиться 20 вольт. Просто нечем протестировать. QC2.0/3.0 протестировано на нескольких китайских зарядках. Из кучи в двадцать зарядных устройств с реально работающим функционалом было только две зарядки. Несколько не оправдавших гордую надпись быстрой зарядки были разобраны. Реальное устройство зарядных сразу выдает отсутствие какого либо Quick Charge по отсутствию дорожек на плате к каким либо микросхемам и наличию перемычки между D+ и D- напрямую либо через сопротивления. В зарядных устройствах в которых Quick Charge работает от контактов D+ и D- идут дорожки к микросхеме.

Для понимания о чем речь, дернул картинку из интернета.
D-D.jpg

Источник

Устройство для быстрой зарядки аккумуляторов

Устройство для быстрой зарядки аккумуляторов

Описываемое в статье устройство предназначено для ускоренной зарядки батарей Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов экспоненциально уменьшающимся током. К его достоинствам можно отнести возможность выбора времени зарядки в пределах от 45 мин до 3 ч, простоту изготовления и налаживания, отсутствие нагрева аккумуляторов в конце зарядки, возможность визуального контроля процесса зарядки, автоматическое восстановление процесса при отключении и последующем включении электропитания, удобство пользования. Устройство можно использовать в качестве стенда для снятия зарядно-разрядных характеристик аккумуляторов.

При зарядке большим неизменным током (0,5Е и более, где Е — емкость аккумулятора) аккумулятор начинает нагреваться после 75. 80%-ного заряда, причем Ni-MH аккумуляторы нагреваются больше, чем Ni-Cd [1]. После полной зарядки аккумулятора температура ускоренно возрастает [1], и если этот процесс вовремя не остановить, то он завершается воспламенением или взрывом аккумулятора. Рекомендуемая температура прекращения зарядки — +45 °С [2]. Однако этот критерий годится только как аварийный: сочетание перезарядки с перегревом снижает емкость аккумулятора и, следовательно, сокращает срок его службы. Достижение определенного напряжения на аккумуляторе также не является удовлетворительным критерием окончания процесса. Дело в том, что его значение, соответствующее полной зарядке, заранее неизвестно, так как зависит от температуры и «возраста» аккумулятора. Ошибка в несколько милливольт приводит к тому, что зарядка аккумулятора никогда не закончится или завершится слишком рано [3].

При зарядке неизменным током легко контролировать заряд — он прямо пропорционален длительности процесса. В частности, его величину можно установить равной номинальной емкости аккумулятора. Но с течением времени его емкость уменьшается и в конце срока службы составляет примерно 80 % номинала. Поэтому ограничение заряда номинальной емкостью не гарантирует отсутствия перезарядки и перегрева аккумуляторов и, следовательно, не может быть единственным критерием окончания зарядки.

Самый сложный критерий окончания процесса — момент, когда напряжение на аккумуляторе достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Максимальное напряжение на аккумуляторе соответствует полной зарядке, но в [2] показано, что оно является следствием нагрева аккумулятора в процессе восстановления заряда. Величина максимума очень мала, особенно у Ni-MH аккумуляторов (около 10 мВ), поэтому для его обнаружения применяют АЦП или преобразователи напряжения в частоту [2]. При зарядке батареи максимум напряжения разных ее элементов достигается в разное время, поэтому желательно контролировать каждый из них отдельно. К тому же встречаются аккумуляторы с аномальной зарядной характеристикой, на которой этот максимум отсутствует. Иначе говоря, контроль только напряжения недостаточен, необходимо еще контролировать и температуру, и величину заряда, пропущенного через батарею. Таким образом, при зарядке батареи большим неизменным током необходимо контролировать каждый ее элемент по нескольким критериям, что усложняет зарядное устройство. Лишь зарядка малым током (не более 0,2Е) не вызывает аварийного перегрева аккумуляторов даже при большой перезарядке. В этом случае состояние каждого элемента контролировать не нужно, зарядное устройство получается очень простым, но и недостаток его очевиден — длительное время зарядки.

Существуют зарядные устройства, в которых первоначально большой зарядный ток уменьшается с течением времени [4-6]. В этом случае также не нужно контролировать состояние каждого элемента батареи. Но в этих устройствах отсутствует контроль величины заряда, а в качестве критерия полной зарядки используется достижение определенного напряжения, что, как упомянуто выше, не является удовлетворительным. В [7] описано зарядное устройство, в котором аккумуляторная батарея заряжается как конденсатор от источника неизменного напряжения через резистор. В этом случае зарядный ток теоретически должен уменьшаться с течением времени по экспоненте с постоянной времени, равной произведению эквивалентной емкости аккумулятора на сопротивление этого резистора. На практике же зависимость тока зарядки от времени отличается от экспоненциальной, так как эквивалентная емкость и выходное сопротивление источника изменяются в процессе зарядки. Но даже если пренебречь указанным отличием, то важнейший параметр — постоянная времени зарядки — неизвестен, вследствие чего невозможен контроль пропущенного через аккумулятор заряда. Поэтому зарядка оканчивается опять же по достижению определенного напряжения.

В предлагаемом устройстве ток зарядки в форме экспоненциально уменьшающегося импульса выбран потому, что его легко реализовать с помощью простейшей RC-цепи. Завершается он естественным образом, в результате чего отпадает необходимость в таймере, отключающем аккумуляторы по прошествии заданного времени, заряд ограничен, даже если аккумуляторы находятся в зарядном устройстве длительное время. Существенно, что ток зарядки вырабатывается генератором тока, поэтому его значение и форма не зависят ни от напряжения на аккумуляторах, ни от нелинейности их зарядных характеристик.

В процессе зарядки ток через аккумуляторы I экспоненциально уменьшается: I = I0ехр(-t/T0), (1) где t — время; I0 — начальный ток зарядки; Т0 — постоянная времени зарядки. При этом каждый аккумулятор получает заряд q, который оценивается выражением q = I0Т0[1 — ехр(-t/Т0)] = (I0 — I)T0. (2) Графики зависимостей I и q от времени t представлены на рис. 1. Видно, что за время 3Т0 заряд достигает значения 0,95I0T0 и далее приближается к значению I0Т0. Рекомендуется выбирать значения I0 и Т0 по формулам I0 = nЕ, Т0 = 1 ч/n, где n = 1, 2, 3, 4. (3)

Самое удобное значение n = 1. Начальный ток зарядки в этом случае равен электроемкости Е, время зарядки — 3 ч. (Практически можно оставить аккумуляторы в зарядном устройстве на ночь, и к утру они будут полностью заряжены). Если такое время зарядки слишком велико, значение п увеличивают. При n = 2 оно составит 1,5ч при начальном токе зарядки 2Е. Такой режим пригоден для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов. Увеличение п до 3 уменьшает время зарядки до 1 ч, но начальный ток зарядки возрастает до 3Е. Наконец, при n = 4 время зарядки сокращается до 45 мин, а начальный ток зарядки увеличивается до 4Е. Значения n, равные 3 и 4, допустимы для Ni-Cd аккумуляторов, так как их внутреннее сопротивление мало (менее 0,1 Ом). Что касается Ni-MH аккумуляторов, то их внутреннее сопротивление в несколько раз больше, поэтому большой ток может их разогреть в начале зарядки, что недопустимо. Значения n больше 4 применять не рекомендуется. Можно выбрать I0 на 5% больше, чем определенный по формуле (3). Тогда точное время зарядки составит 3 ч/n, а дальнейшая 5%-ная перезарядка несущественна.

Принцип действия устройства иллюстрирует рис. 2. Конденсатор емкостью С1, предварительно заряженный до напряжения U0, разряжается через усилитель тока А1 с входным сопротивлением Rin и коэффициентом усиления по току Кi. Ток во входной цепи усилителя Iin определяется выражением Iin = U0exp(-t/RinC1)/Rin. (4) Ток в выходной цепи усилителя I = КiIin заряжает аккумуляторную батарею GB1: I = КiU0ехр(-t/RinС1)/Rin = SU0 exp(-t/RinС1), (5) где S = Ki/Rin — крутизна усиления усилителя, если его рассматривать как преобразователь напряжения в ток. Сравнивая (2) и (5), имеем T0 = RinC1, I0 = KiU0/Rin = SU0. (6) Удобно выбрать U0 = 1 В, С1 = 1000 мкФ, тогда из (3) следует, что Rin = 3,6 МОм/n, S = nЕ, Кi = SRin = 3600000E. (7) Например, при Е = 1 Ач и n = 1 должны быть следующие параметры: Rin = 3,6 МОм, S = 1 А/В, Кi = 3600000 = 131 дБ.

Читайте также:  Зарядное устройство 12v 2ah

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 3. Усилитель тока собран на ОУ DA2.1 и транзисторах VT2 и VT3. Напряжение питания ОУ стабилизировано микросхемой DA1. Узел на транзисторе VT1 контролирует величину этого напряжения. Когда оно в норме, этот транзистор открыт, через обмотку реле К1 течет ток, контакты реле К1.1 замкнуты, светодиод HL1 светится, сигнализируя о нормальной работе устройства. Выключателем SA1 выбирают режим зарядки: постоянным током (когда его контакты замкнуты) или экспоненциально уменьшающимся (когда они разомкнуты). Резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения. Напряжение на движке переменного резистора R3 определяет ток зарядки. В режиме «Постоянный» это напряжение через резистор R1 и замкнутые контакты реле К1.1 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Его выходной ток усиливается транзисторами VT2, VT3 и устанавливается таким, чтобы напряжения на резисторах R11 и R5 стали одинаковыми. Коэффициент усиления по току Ki = R5/R11 и при указанных на схеме номиналах примерно равен 107, а крутизна преобразования напряжения в ток S = 1/R11 = 3 А/В.

В режиме «Уменьшающийся» (контакты выключателя SA1 разомкнуты) конденсатор С2 емкостью 1000 мкФ разряжается через резистор R5 с постоянной времени, выбранной по формуле (3). Экспоненциально уменьшающийся ток через этот конденсатор усиливается ОУ DA2.1 и транзисторами VT2, VT3 и заряжает аккумуляторы, подключенные к разъему Х1 («Выход»). Диод VD2 предотвращает их разрядку при отключении напряжения питания. Амперметр РА1 служит для контроля текущего значения тока зарядки. Конденсатор С5 предотвращает самовозбуждение устройства. Резисторы R4, R8-R10 — токоограничительные. Они защищают ОУ и транзистор VT2 в аварийных ситуациях, например, при обрыве резистора R11 или пробое транзистора VT3, предотвращая выход из строя остальных элементов.

При отключении питания в режиме зарядки уменьшающимся током транзистор VT1 закрывается и реле размыкает контакты К1.1, предотвращая дальнейшую разрядку конденсатора С2. Светодиод HL1 гаснет, сигнализируя об отключении питания. С восстановлением питания транзистор VT1 открывается, реле К1 замыкает контакты К 1.1 и зарядка аккумуляторов автоматически продолжается с того значения тока, при котором он был прерван. Светодиод HL1 снова загорается, сигнализируя о возобновлении зарядки. Нажатием на кнопку SB1 можно кратковременно прекратить зарядку при снятии зарядных характеристик. При этом конденсатор С4 предотвращает проникание сетевых наводок на вход ОУ.

Устройство собрано на универсальной печатной плате и размещено в корпусе размерами 310x130x180 мм. Аккумуляторы типоразмера АА размещают в желобе на верхней крышке корпуса. Контактные гнезда выполнены в виде отрезков ленты из луженой жести, которые прижимаются к аккумуляторам пружиной от стандартного отсека для элемента типоразмера АА. Через пружину ток не идет. Следует отметить, что имеющиеся в продаже пластмассовые отсеки пригодны лишь при токе, не превышающем 500 мА. Дело в том, что ток, протекающий через контактные пружины, разогревает их, при этом нагреваются и аккумуляторы. Уже при токе 1 А пружины нагреваются настолько, что расплавляют стенку пластмассового корпуса отсека, делая его дальнейшее использование невозможным.

Транзистор VT3 установлен на ребристом теплоотводе с площадью поверхности 600 см2, диод VD2 — на пластинчатом теплоотводе площадью 50 см2. Резистор R11 составлен из трех соединенных параллельно резисторов МЛТ-1 сопротивлением 1 Ом. Все сильноточные соединения выполнены отрезками медного провода сечением 3 мм2, которые припаяны непосредственно к выводам соответствующих деталей. ОУ К1446УД4А (DA2) можно заменить микросхемой К1446УД1А или другой из этих серий, но из двух ОУ нужно выбрать тот, у которого напряжение смещения меньше. Второй ОУ может быть использован в составе термочувствительного моста [8] для аварийного отключения аккумуляторов при их перегреве во время зарядки постоянным током (при зарядке уменьшающимся током перегрев аккумуляторов не наблюдался). В случае использования ОУ других типов следует иметь в виду, что в данной конструкции питание его однополярное, поэтому он должен быть работоспособен при нулевом напряжении на обоих входах. Микросхема КР1157ЕН601А (DA1) заменима стабилизатором этой серии с индексом Б, а также микросхемой серии К1157ЕН602, однако у последней иная «цоколевка» [9]. Транзистор VT1 — любой из серии КП501, VT2 должен иметь статический коэффициент передачи тока базы h21Э не менее 100. Транзистор КТ853Б (VT3) отличается тем, что его h21Э превышает 1000. В качестве VT2, VT3 можно использовать транзисторы других типов, но общий коэффициент усиления по току должен превышать 100000.

Конденсатор С2, задающий постоянную времени зарядки Т0, должен иметь стабильную емкость, необязательно равную указанной на схеме номинальной, так как требуемое значение Т0 устанавливают при налаживании подбором резистора R5. Автор использовал оксидный конденсатор фирмы Jamicon с большим запасом по напряжению (в 25 раз). Реле К1 — герконовое EDR2H1A0500 фирмы ЕСЕ с напряжением и током срабатывания соответственно 5 В и 10 мА. Возможная замена — реле отечественного производства КУЦ-1 (паспорт РА4. 362.900). Амперметр РА1 должен быть рассчитан на максимальный ток зарядки (в авторском варианте применен прибор М4200 на ток 3 А). Предохранитель FU1 — самовосстанавливающийся MF-R300 фирмы BOURNS [10].

Налаживание устройства сводится к установке необходимого значения постоянной времени зарядки Т0, выбранного по формуле (3). Сопротивление резистора R5 выбирают равным Rin по формуле (7), полагая, что емкость конденсатора С2 точно равна 1000 мкФ. Вместо аккумуляторов включают цифровой амперметр. Перед включением питания, как при зарядке аккумуляторов, так и при налаживании устройства, движок переменного резистора R3 переводят в нижнее (по схеме) положение и замыкают контакты выключателя SA1 (это необходимо для разрядки конденсатора С2). Затем включают питание и, перемещая движок резистора R3, устанавливают начальный ток I0 около 1 А. Далее SA1 переводят в положение «Уменьшающийся». Через время Т1 (примерно равное Т0) измеряют ток I1. Скорректированное значение сопротивления резистора R5* вычисляют по формуле R5* = R5[ln(I0/I1)]. В заключение устанавливают резистор R5 сопротивлением, равным этому скорректированному значению.

Аккумуляторы перед зарядкой необходимо разрядить до напряжения 1. 1.1 В, чтобы исключить их перезарядку и проявление эффекта памяти [2]. Если при разрядке аккумуляторы нагрелись, то перед зарядкой их следует охладить до температуры окружающей среды (0. +30 °С [2]). Прежде чем подключать аккумуляторы к зарядному устройству, необходимо убедиться в том, что оно обесточено, движок резистора R3 находится в нижнем (по схеме) положении, a SA1 — в положении «Постоянный». Далее, соблюдая полярность, устанавливают аккумуляторы, включают питание и с помощью переменного резистора R3 устанавливают начальный ток I0 по формуле (3). После этого переводят SA1 в положение «Уменьшающийся», и через время 3Т0 аккумуляторы готовы к использованию.

Для питания устройства необходим источник напряжения от 8 до 24 В, можно нестабилизированного. Одновременно можно заряжать от одного до десяти элементов. Минимальное напряжение питания с учетом пульсаций должно составлять 2 В на элемент плюс 4 В (но в указанных пределах).

Устройство можно использовать в качестве стенда для снятия не только зарядных, но и разрядных характеристик аккумуляторов. В последнем случае исследуемый аккумулятор должен быть подключен к устройству в обратной полярности. Напряжение на его электродах необходимо постоянно контролировать вольтметром. Не следует допускать изменения его полярности, чтобы не вызвать аварийного разрушения аккумулятора. По этой причине не рекомендуется таким образом разряжать батарею из нескольких последовательно соединенных элементов, так как можно пропустить момент выхода из строя элемента с наименьшей емкостью.

Источник

Компактное QC 3.0 зарядное устройство / блок питания

В последнее время все большее распространение получают автономные устройства поддерживающие функцию быстрого заряда Quick Charge и потому решил я пощупать то, при помощи чего «кормят» данных «питомцев», т.е. зарядное устройство (блок питания) с QC 3.0. Зарядное очень компактное, но впрочем обо всем лучше прочитать в обзоре, как обычно осмотр, тесты, разборка и выводы.

Для начала небольшое лирическое вступление. Формально все эти «зарядные» устройства являются блоками питания, потому как не имеют особенностей, свойственным зарядным устройствам. Но так как подавляющее большинство пользователей называет их именно зарядными устройствами, то чтобы было более понятно, я сегодня буду называть их так же — зарядные устройства.

Кроме того напомню о том, что такое QC или Quick Charge.
Обычно устройства, подключаемые в USB порт, используют напряжение 5 Вольт, что вполне логично, так как это его стандартное напряжение. Постепенно емкость аккумуляторов мобильных устройств растет и пользователи хотят заряжать их быстрее, что также вполне логично. Потому со временем стали появляться зарядные устройства рассчитанные на выходной ток до 1, 2 и даже 3 Ампера, но все в итоге уперлось в законы физики, из которых получается что с ростом тока все больше падает на кабелях к вашим устройствам. Кроме того USB разъемам также приходится несладко, а уж если все это умножить на повальную экономию на проводе в эти кабелях так вообще можно тушить свет, причем в буквальном смысле.

Производители почухали репу и решили что 5 Вольт явно мало и запилили зарядные устройства на другие напряжения, например 9, 12 или даже 20 Вольт и это не говоря о том, что договориться они между собой не смогли и потому некоторые фирмы изобретают свою модель «велосипеда», но суть остается прежней, поднимаем напряжение, падает ток, а значит выгоднее передавать электричество к вашему устройству. Ну или как вариант, ток оставляем прежним, но при росте напряжения растет и передаваемая мощность.
Одним из распространенных протоколов быстрого заряда является Quick Charge или две его распространенные версии, QC 2.0 и 3.0.

Зарядное устройство, поддерживающее функцию быстрого заряда по сути представляет собой обычный блок питания у которого добавлена маленькая микросхемка, которая в свою очередь управляется сигналами вашего смартфона, планшета, повебранка и т.п. и вмешиваясь в обратную связь блока питания дает ему команду выдать требуемое напряжение.
Например смартфон умеет заряжаться от 9 Вольт, он сначала включается в стандартном режиме, если все в порядке, то он выставляет на линиях данных USB разъема определенную комбинацию напряжений и блок питания выдает требуемое (если может конечно).
Отличие протокола QC 2.0 от 3.0 заключается в одной мелочи, 2.0 умеет выставлять на выходе напряжения 5, 9, 12 или 20 Вольт, а 3.0 делает все то же самое, но уже с шагом в 0.2 Вольта — 5, 5.2, 5.4, 5.6. 19.6, 19.8, 20.0.
На самом деле QC 3.0 поддерживает напряжения и ниже 5 Вольт, но они используются заметно реже.

Читайте также:  Зарядное устройство для конденсаторов купить

Так что по большому счету, отличие 2.0 от 3.0 не так уж и существенно и в большинстве случаев 2.0 вполне хватает.

В общем попалось мне мелкое зарядное устройство, которое имеет функцию QC. Пришло оно в небольшом пакетике, без каких либо инструкций, цветных коробок и прочего.

Небольшая такая коробочка, я бы даже сказал — симпатичная.

На коротком торце корпуса расположен единственный USB разъем красного цвета, а на длинном маркировка из которой следует что устройство имеет следующие характеристики:
Входное напряжение — 100-240 Вольт
Выходное напряжение:
5 Вольт — 3 Ампера (15 Ватт)
9 Вольт — 2 Ампера (18 Ватт)
12 Вольт — 1.6 Ампера (19.2 Ватта)

Вы наверное заметили что с ростом напряжения растет и максимальная выходная мощность, это распространенное явление, чем ниже напряжение и выше ток, тем сложнее работать блоку питания, потому чем выше напряжение, тем обычно выше КПД и от БП можно взять больше.

Размер чуть больше коробка спичек, в основном в плане толщины корпуса.

Не буду ходить вокруг да около и перейду к тестам.
Для теста использовалась электронная нагрузка и USB тестер, при помощи которого я давал команду зарядному устройству, какое напряжение мне нужно.
Изначально хотел показать все стандарты, которые оно поддерживает, но выяснилось, что при автоматическом определении зарядное имеет свойство перезагружаться. Винить я его не буду, так как при автоопределении тестер пытается прогнать в режиме QC 3.0 полный диапазон, начиная примерно от 3 Вольт, а эксперимент показал что зарядное не может выдать меньше чем 4.2-4.2 и в итоге уходит в защиту.

В режиме холостого хода при выставленных 5 и 9 Вольт реальное напряжение составляет 5.24 и 9.26 Вольта, что как раз вписывается в рамки стандарта, за это плюс.

При изменении тока нагрузки в диапазоне от 0 до 3 Ампер и выходном напряжении 5 Вольт просадка всего 60мВ что на мой взгляд можно считать отличным результатом, не говоря о том, что большая часть наверняка падала на USB разъемах.

При 9 Вольт изменение напряжения было еще меньше, 40 мВ в полном диапазоне 0-2 Ампера.

После установки 12 Вольт напряжение холостого хода составило 12.3 Вольта, а при максимальном токе 1.6 Ампера снизилось всего на 30 мВ.

В процессе тестов выяснил, что зарядное умеет работать и по протоколу Samsung AFC, по крайней мере при помощи тестера я могу выбрать такой режим и оно выдает 9 Вольт, но с телефоном пока проверить не могу.

Если в плане стабильности выходного напряжения я могу поставить зарядному твердые 5 баллов, то с нагревом картина выглядит несколько хуже, я бы даже сказал — печальнее.
Ниже 9 термофото, снятые при максимальном заявленном токе и сгруппированные в порядке —
1, 2, 3. — 5 Вольт, 10, 15 и 20 минут.
4, 5, 6. — 9 Вольт, 10, 15 и 20 минут.
7, 8, 9. — 12 Вольт, 10, 15 и 20 минут.

Моей задачей было определить тенденцию к нагреву, для этого вполне хватало 20 минут для каждого напряжения так как габарит, а следовательно и масса устройства, не очень большие.
Видно что на интервале 10-15 минут есть заметный рост температуры, а 15-20 минут, очень маленький, порядка 1-2 градуса, что говорит о том что устройство вошло в стабильный тепловой режим.

Но вот температура корпуса в 70 градусов это явно много, руку уже обжигает даже при наличии пластмассового корпуса.

Чтобы разобраться что к чему, пришлось вскрыть корпус. Сделать это можно довольно аккуратно если сначала пройтись между черной и белой частями корпуса чем нибудь типа тонкой стальной линейки. Сначала проходим со стороны вилки питания и USB разъема, а затем отжимаем черную часть вверх, клей отойдет и крышка снимется.

Корпус универсальный, просматриваются два места под USB разъемы.

Входная часть очень упрощена, хотя это черта большинства компактных устройств, входной фильтр зачастую просто негде ставить, но вот отсутствие предохранителя расстраивает, его заменяет резистор. Входной конденсатор имеет емкость 15 мкФ, что впритык для напряжения 200-240 Вольт и совсем мало для 100-200.

Трансформатор также имеет весьма скромный габарит, особенно с учетом мощности около 20 Ватт, я бы сказал что он ближе к 12-15 Ватт, не больше.
Помехоподавляющий конденсатор правильного Y типа, здесь вопросов нет.

А вот то, что меня несколько удивило. Дело в том, что изначально я ожидал увидеть внутри две вещи, особенно зная заявленные параметры — синхронный выпрямитель и твердотельные конденсаторы. Если насчет конденсаторов вопрос спорный, они попадаются не так и часто, то вот 3 Ампера в таком корпусе выпрямить нормально можно только синхронным выпрямителем.
Ну по крайней мере я думал что будет как минимум 2 диода, а здесь вообще один — SR5100 (5 Ампер, 100 Вольт). Да, грустно.
Выходные конденсаторы Chang, 2х470мкФ х 16 Вольт, для 3 Ампер явно маловато.

1. ШИМ контроллер DS3118. Даташит мне не попался, но по косвенным данным этот контроллер предназначен для БП мощностью 16-30 Ватт.
2. Цепь питания ШИМ контроллера и токоизмерительные резисторы. Сложная цепь питания обусловлена тем, что выходное напряжение меняется в больших пределах, а следовательно пропорционально меняется и напряжение питания ШИМ контроллера и чтобы он работал стабильно надо его тоже регулировать. Схема на фото как раз напоминает часть стабилизатора напряжения.
3. Намотка трансформатора так себе, я бы такое не пропустил, а намотчику дал по рукам. Первичная и вторичная обмотка конечно не касаются друг друга, но запаса по изоляции между ними не видно, не говоря о лаке.
4. На выходе стоит микросхема QC, регулируемый стабилитрон TL431 и оптрон PC817.

Хоть плата и изготовлена неплохо, чистенько, аккуратненько, но расстояние между первичной и вторичной сторонами в 2.5мм (в районе оптрона) маловато, надо хотя бы 5-7мм.

Уже после осмотра решил провести дополнительные тесты.
Для начала нагрузочный тест, но уже без учета падения напряжения на разъемах.
Напряжение 5 Вольт, ток от 0.2 до 3.2 Ампера. До тока в 2.3 Ампера напряжение не менялось и составляло 5.24 Вольта, затем начало понемногу снижаться и при токе 3.2 Ампера составило 5.21 Вольта, отличный результат.

9 Вольт, ток 0.2-2.2 Ампера, здесь напряжение просело всего на 10мВ только при максимальном токе в 2 Ампера.

При напряжении в 12 Вольт я проверял сначала в диапазоне 0.2-1.8 Ампера, но потом решил провести второй тест, уже до 2 Ампер.
В итоге выходное напряжение держится стабильно даже при перегрузке, неплохо если бы не одно но.
Дело в том, что судя по показанным ранее термофотографиям БП явно сильно греется и когда я довел ток нагрузки до 2 Ампер при 12 Вольт, а выходная мощность составила почти 25 Ватт, то я ждал срабатывания защиты от перегрузки, но защита так и не сработала. Чревато такое тем, что БП может просто перегреться и выйти из строя.

Кстати насчет перегрева. Часто я вижу отзывы, где в процессе тестов измеряют температуру корпуса, собственно как я делал выше. Но на самом деле разница в температуре корпуса и температуре компонентов может отличаться глобально и потому в качестве демонстрации я провел и такой тест.
Проверка проходила при выходных параметрах 5 Вольт 3 Ампера и 12 Вольт 1.6 Ампера, время теста то же самое — 20 минут, корпус был закрыт. Через 20 минут я отключал нагрузку, питание зарядного, открывал корпус и делал термофото. Конечно есть небольшое время на открытие корпуса и вынимание платы из корпуса, но разница думаю не очень большая, несколько градусов.

В итоге температура внутри была порядка 110-115 градусов (слева 12 Вольт, справа 5 Вольт). Больше всего грелся выходной диод и трансформатор, температура была примерно одинакова.

И последний тест, оценка пульсацией выходного напряжения. В этом тесте осциллограф был подключен к выходному конденсатору БП, нагрузка подключалась ко второму конденсатору.

1, 2. — 5 Вольт 1.5 и 3 Ампера
3, 4. — 9 Вольт 1 и 2 Ампера
5, 6. — 12 Вольт 0.8 и 1.6 Ампера.

Размах пульсаций практически не зависит от выходного напряжения и составляет около 140 мВ для 50% нагрузки и 200 мВ для 100%. Для выходного напряжения 9 и 12 Вольт это в общем-то нормально, особенно если нагружать на 50-75%, но для 5 Вольт многовато. Нет, нагрузка будет работать нормально, просто хотелось бы меньше.
Кстати, попутно проверил влияние БП на работу тачскрина смартфона, все отлично, хотя за это отвечает другой параметр блока питания.

Возвращаясь к нагреву могу сказать, что без принятия специальных мер, например синхронного выпрямления, любое подобное зарядное устройство, находясь в таком компактном корпусе будет греться примерно одинаково. Как пример ниже для сравнения я положил рядом качественный блок питания 12 Вольт 1 Ампер, который заметно больше. Да, у него внутри есть входной фильтр, который занимает место на плате, но и мощность всего 12 Ватт.
Минвелл в таком формате, как показанный слева БП, выпускает вариант 25 Ватт, но у него применена небольшая хитрость, верхняя часть корпуса представляет собой металлопластик, на который отводится тепло от высоковольтного транзистора и выходного диода.

Теперь выводы.
Блок питания имеет отличную стабилизацию выходного напряжения, поддерживает работу по протоколам QC 2.0 и 3.0 в диапазоне 5-12 Вольт, обеспечивает заявленный выходной ток, но при этом имеется перегрев и несколько высокие пульсации при выходном напряжении 5 Вольт.
На мой взгляд данный БП лучше эксплуатировать при параметрах нагрузки — 5 Вольт 2 Ампера, 9 Вольт 1.5 Ампера и 12 Вольт 1 Ампер, так будет ближе к истине.

Недостатком является то, что при работе с устройствами QC они обычно не спрашивают какую мощность БП может выдать, и к примеру повербанк Besiter BST-K6X, с которым я также проверял данное зарядное, «просил» 9 Вольт с током около 1.8 Ампера и БП заметно нагревался. Также к недостаткам отнесу то, что защита от перегрузки настроена явно на очень высокую мощность, явно выше порога надежности данного блока питания и это является очень неправильным решением.

Читайте также:  Зарядное устройство для аккумулятора видеорегистратора

Наверняка в комментариях вспомнят о зарядном Gocomma QC 3.0, так вот обозреваемое не только имеет те же параметры, но кроме этого оно точно такое же внутри, только высоковольтная часть печатной платы разведена чуть по другому, даже компоненты применены такие же.

На этом у меня на сегодня все, надеюсь что обзор был полезен.

Источник

О быстрой зарядке аккумуляторов электромобилей

11 октября 2019

Прадип Чатержи, Маркус Хермвил (Infineon)

Чтобы электромобиль стал по-настоящему распространенным, необходимы доступные средства быстрой зарядки его аккумулятора. В ассортименте Infineon уже сейчас имеется все необходимое для этого.

В настоящее время правительства разных стран прилагают серьезные усилия, направленные на сокращение выбросов углерода. Использование электрического транспорта помогает решить эту проблему, что приводит к постоянному росту интереса к электромобилям (Battery Electric Vehicles, BEV). Рынок электромобилей расширяется и предлагает все более богатый выбор моделей по все более привлекательным ценам. Тем не менее, ограниченная дальность передвижения такого транспорта по-прежнему вызывает опасения у потребителей. Ситуация усугубляется существующими проблемами подзарядки. Подзарядка припаркованного автомобиля в течение рабочего дня кажется идеальным решением, но отсутствие инфраструктуры приводит к тому, что многие владельцы электрокаров вынуждены выполнять зарядку аккумуляторов дома. Кроме того, потребители хотят, чтобы в длительных поездках, например, в путешествиях во время отпуска, зарядка занимала столько же времени, сколько занимает заправка обычных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Большинство электромобилей имеет возможность зарядки аккумуляторов в домашних условиях от бытовой однофазной сети переменного напряжения. Благодаря этому подзарядку удобно производить ночью. Существуют различные варианты подключения к сети: от простых кабелей, подключаемых к электрической розетке и кабелей со встроенными устройствами управления и защиты (IC-CPD) до сложных настенных зарядных устройств, снабженных комплексной защитой и обладающих расширенным функционалом, например, возможностью обмена данными с транспортным средством.

Непосредственная зарядка аккумуляторов производится от источника постоянного напряжения, причем преобразование из переменного напряжения в постоянное происходит в силовых блоках, встроенных в автомобиль. Этот подход подразумевает, что каждое транспортное средство должно иметь собственное зарядное устройство, которое разрабатывается с учетом требований по отводу тепла, КПД и весу, то есть по тем факторам, которые в конечном итоге ограничивают мощность зарядки и, следовательно, скорость ее выполнения. Очевидно, что следующим шагом в развитии отрасли станет разработка универсальных автономных зарядных устройств, размещаемых вне кузова автомобиля.

Зачем нужна быстрая зарядка аккумуляторов

Типовое зарядное устройство мощностью 22 кВт способно за 120 минут зарядить аккумулятор электромобиля до уровня, необходимого для выполнения пробега 200 км. Однако для сокращения времени зарядки до 16 минут (при той же дальности пробега 200 км) необходимо использовать зарядную станцию мощностью 150 кВт. При мощности 350 кВт время зарядки может быть уменьшено до 7 минут, что примерно соответствует времени, затрачиваемому для дозаправки обычного автомобиля с ДВС. Разумеется, все вышесказанное возможно только в том случае, если аккумулятор поддерживает такие скорости зарядки. К этому нужно прибавить, что пользователи ожидают, что процесс зарядки будет одинаковым вне зависимости от места заправки, точно так же, как стандартизован процесс заправки обычных автомобилей.

В Европе организация CharIN e.V. сосредоточила усилия на разработке и продвижении комбинированной системы зарядки (Combined Charging System, CCS). Стандарт, разработанный организацией, определяет тип зарядной вилки, последовательность зарядки и даже передачу данных. В других регионах, таких как Япония и Китай, есть аналогичные организации – CHAdeMO и GB/T соответственно. Собственная запатентованная система зарядки есть у компании Tesla.

Спецификация CharIN предусматривает возможность зарядки от источников как переменного, так и постоянного напряжения с помощью специализированных вилок и розеток. Спецификация также определяет максимальный постоянный выходной ток 500 А при напряжении 700 В DC, а также максимальное напряжение 920 В DC. КПД системы установлен на уровне 95%, хотя в будущем он будет увеличена до 98%. Следует отметить, что для зарядного устройства мощностью 150 кВт уровень потерь 1% соответствует 1,5 кВт. Таким образом, уменьшение потерь до минимально возможного значения является приоритетной задачей для быстрых зарядных устройств.

Архитектура быстрого зарядного устройства

Существуют два варианта реализации зарядных устройств. Первый подход подразумевает преобразование входного переменного трехфазного напряжения в регулируемое постоянное напряжение, которое, в свою очередь, преобразуется с помощью DC/DC-преобразователя. Точное значение выходного постоянного напряжения согласуется в ходе обмена данными с заряжаемым электромобилем. Альтернативный подход заключается в преобразовании входного переменного напряжения в постоянное напряжение фиксированного уровня, после чего второй DC/DC-преобразователь регулирует выходное напряжение в соответствии с потребностями аккумулятора транспортного средства (рисунок 1). Поскольку ни один из представленных подходов не имеет явных преимуществ или недостатков, то выбор оптимального решения становится достаточно сложной задачей. Столь мощные зарядные устройства не могут быть моноблочными, вместо этого требуемая выходная мощность набирается путем объединения нескольких зарядных модулей, каждый из которых имеет выходную мощность 15…60 кВт. Таким образом, основными задачами, решаемыми в процессе разработки, становятся упрощение системы охлаждения, обеспечение высокой удельной мощности и уменьшение общего размера системы.

Рис. 1. Варианты организации зарядных устройств большой мощности

Рис. 1. Варианты организации зарядных устройств большой мощности

Проектирование начинается с разработки AC/DC-преобразователя. Корректор коэффициента мощности обычно строится на базе однонаправленного трехфазного трехуровневого выпрямителя с ШИМ-управлением, выполненного по схеме Вина (Vienna rectifier). Возможность использования активных компонентов с рейтингом напряжения 600 В помогает достичь оптимального соотношения стоимости и эффективности. Благодаря наличию высоковольтных SiC-устройств обычный двухуровневый AC/DC-каскад с ШИМ-управлением также становится популярным в диапазоне мощностей 50 кВт или даже выше. При использовании любого из предложенных вариантов построения AC/DC-каскада можно обеспечить управление выходным напряжением, синусоидальный входной ток с коэффициентом мощности выше 0,95, THD ниже 5% и КПД 97% или выше. В тех случаях, когда зарядное устройство может быть изолировано от сети с помощью трансформатора среднего напряжения, часто используют диодные или тиристорные выпрямители. Их популярность объясняется простотой и надежностью, а также высокой эффективностью.

В настоящее время DC/DC-преобразователи, как правило, строятся на базе резонансных топологий, которые оказываются предпочтительными из-за их высокой эффективности и наличия гальванической развязки. Резонансные топологии обеспечивают высокую плотность мощности и компактные габариты, а переключения при нулевых напряжениях (ZVS) гарантируют уменьшение динамических потерь и способствуют повышению общей эффективности системы. Мостовая топология со сдвигом фазы на базе силовых SiC-устройств является альтернативным вариантом при необходимости получения изолированного решения. Для изолированных архитектур наиболее предпочтительными становятся многофазные DC/DC-преобразователи. Среди их преимуществ можно отметить распределение нагрузки между фазами, снижение уровня пульсаций и уменьшение габаритов фильтра. Однако расплатой за перечисленные достоинства становится усложнение схемной реализации и увеличение числа используемых компонентов.

В диапазоне мощностей 15…30 кВт зарядные модули могут быть реализованы с помощью дискретных компонентов (рисунок 2). Для создания бюджетных трехфазных выпрямителей с ШИМ-управлением идеально подходит комбинация из IGBT TRENCHSTOP™ 5 и диодов Шоттки CoolSiC™. Некоторое повышение КПД может быть достигнуто, если вместо IGBT использовать МОП-транзисторы CoolMOS™ P7 SJ. Что касается DC/DC-преобразователя, то для получения хорошего КПД подойдут МОП-транзисторы семейства CoolMOS CF D7. Если же требуется максимальная эффективность, то следует воспользоваться МОП-транзисторами из семейства CoolSiC.

Рис. 2. Построение зарядных устройств на базе дискретных компонентов

Рис. 2. Построение зарядных устройств на базе дискретных компонентов

Если предполагается создание зарядного устройства с возможностью дальнейшей модификации или модернизации, а также при необходимости получения максимальной мощности, рекомендуется создавать зарядные блоки на базе силовых модулей. Обычно при работе с таким уровнем мощности предпочтительным становится жидкостное охлаждение, однако вариант с воздушным охлаждением также остается возможным. Трехфазный выпрямитель с ШИМ-управлением может быть построен с помощью модулей CoolSiC Easy 2B, работающих с частотой переключений до 40 кГц. Для построения DC/DC-преобразователей, как правило, используются трехфазные или многофазные понижающие регуляторы с рабочей частотой до нескольких сотен кГц. В данном случае для получения высокого КПД оптимальным выбором станет комбинация модулей CoolSiC Easy 1B и дискретных диодов CoolSiC.

Силовой модуль F3L15MR12WM1_B69 из семейства CoolSiC представляет собой трехфазный выпрямитель с ШИМ-управлением, выполненный в корпусном исполнении Easy 2B. Благодаря малому значению сопротивления открытого канала RDS(ON) 15 мОм модуль имеет высокую плотность мощности и компактные размеры, что упрощает построение зарядного устройства. Модуль поставляется в керамическом корпусе, заполненном гелем, и отличается малой паразитной емкостью, кроме того, потери на его переключения не зависят от температуры. Полумостовые топологии доступны как в корпусах Easy 2B, так и в корпусах Easy 1B меньшего размера. Для таких модулей сопротивление открытого канала RDS(ON) составляет всего 6 мОм (рисунок 3).

Рис. 3. Построение зарядных устройств на базе силовых модулей

Рис. 3. Построение зарядных устройств на базе силовых модулей

Контроль, связь и безопасность

Управление силовыми каскадами обычно осуществляется с помощью микроконтроллеров. Микроконтроллеры семейства XMC4000 имеют в своем составе аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с возможностью гибкой настройки, а также многофункциональные таймеры и периферийные модули, позволяющие организовать ШИМ-управление. Наличие CAN-контроллера гарантирует, что зарядные модули смогут общаться друг с другом и согласовывать свою работу при использовании различных типов аккумуляторов. Защита при оплате услуг, проверка подлинности обновлений программного обеспечения или аппаратных изменений может выполняться с помощью HSM-модуля (Hardware Security Module) семейства микроконтроллеров AURIX™. Это семейство часто используется в автомобильных приложениях, связанных с безопасностью.

Аутентификация отдельных модулей и защита от подделок может быть обеспечена с помощью специализированных чипов OPTIGA ™ Trust B. Для организации более надежной и целостной системы защиты следует использовать микроконтроллеры семейства OPTIGA TPM.

Заключение

Организация инфраструктуры быстрой зарядки аккумуляторов является важной частью стратегии по увеличению числа электромобилей. Без эффективных решений, обеспечивающих приемлемое время зарядки, электромобили неизбежно останутся привлекательными только для сторонников экологического транспорта и для потребителей, передвигающихся на незначительные расстояния. Подготовительные работы по определению параметров зарядных устройств и разъемов уже выполнены. Кроме того, имеются необходимые инновационные полупроводниковые решения. Эти решения включают как традиционные кремниевые силовые компоненты, так и карбид-кремниевые, которые обеспечивают высокую частоту переключений и большой КПД, при этом гарантируя высокую надежность зарядных устройств. Если учесть наличие современных микроконтроллеров и продуманных решений для проверки подлинности и безопасности, то становится очевидным, что модульные зарядные устройства способны выполнить существующие требования электротранспорта и обеспечить дальнейшее развитие отрасли.

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Источник