Как изготовить печатную плату для внешнего аккумулятора? 

Печатная плата портативного зарядного устройства (power bank) — это основной компонент, позволяющий портативным зарядным устройствам накапливать энергию и заряжать различные электронные устройства в дороге. Портативные зарядные устройства стали незаменимым аксессуаром для пользователей смартфонов и планшетов, которым требуется дополнительное время автономной работы в течение дня.

Разработка и сборка собственной печатной платы для портативного зарядного устройства позволяет создать компактное зарядное устройство, адаптированное к конкретным потребностям зарядки ваших устройств. В этом руководстве мы рассмотрим основные компоненты и шаги, необходимые для создания самодельной схемы портативного зарядного устройства на печатной плате.

Для создания функциональной печатной платы для портативного зарядного устройства вам понадобятся следующие основные компоненты:

Описание компонентов
Литий-ионный или LiPo аккумулятор Перезаряжаемый элемент питания для хранения энергии, обычно 3,7 В
Повышающий преобразователь DC-to-DC преобразователь для повышения напряжения батареи до 5 В Выход USB
Микросхема защиты батареи Защищает батарею от перезаряда, переразряда и короткого замыкания
USB-разъем Гнездо USB-A для подключения устройств для зарядки
Разъем Micro USB Штекер micro USB для зарядки батареи портативного зарядного устройства
Выключатель питания Ползунковый или кнопочный переключатель для включения/выключения портативного зарядного устройства
Светодиодные индикаторы Отображают оставшуюся емкость батареи и состояние зарядки
Резисторы, конденсаторы Вспомогательные компоненты для регулирования напряжения и фильтрации
Печатная плата Печатная плата для монтажа и подключения компонентов
Выбор батареи
Батарея является ключевым компонентом, определяющим емкость и размер вашего портативного зарядного устройства. Литий-ионные и литий-полимерные (LiPo) элементы питания используются чаще всего благодаря высокой плотности энергии и возможности перезарядки.

Типичная емкость аккумуляторов портативных зарядных устройств варьируется от 2000 мАч до 20 000+ мАч для моделей большой емкости. Примерно 2000-3000 мАч достаточно для полной зарядки большинства смартфонов.

Некоторые популярные размеры и конфигурации аккумуляторов для портативных зарядных устройств, устанавливаемых на печатные платы, включают:

Конфигурация Тип элемента Номинальное напряжение Типичная емкость Схема печатной платы
1S1P 18650 Li-ion 3,7 В 2600 мАч Один элемент
1S2P 18650 Li-ion 3,7 В 5200 мАч Два элемента рядом
2S1P 18650 Li-ion 7,4 В 2600 мАч Вертикально расположенные элементы
1S 103450 LiPo 3,7 В 1800 мАч Плоский блок
Выбранная вами конфигурация аккумулятора повлияет на схему печатной платы и необходимую вспомогательную схему. В этом руководстве мы сосредоточимся на простом портативном зарядном устройстве на основе 1S 18650.

Разработка схемы портативного зарядного устройства
Схема зарядки аккумулятора
Первый этап — это схема зарядки литий-ионного аккумулятора от источника питания USB 5 В. Для этого требуется специальная микросхема зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов, которая безопасно управляет профилем зарядки постоянным током и постоянным напряжением (CC/CV).

Некоторые распространенные микросхемы зарядных устройств, подходящие для портативных зарядных устройств на 1 элемент литий-ионных аккумуляторов:

TP4056 — линейное зарядное устройство 1 А
TC4056A — линейное зарядное устройство 1 А
TP5000 — импульсное зарядное устройство 2 А
MCP73831 — линейное зарядное устройство 500 мА
Эти микросхемы требуют всего нескольких внешних резисторов и конденсаторов для установки тока зарядки и порога завершения.

Вот типичная схема зарядки TP4056:

[Типичная схема применения TP4056]

Основные компоненты:

R1, R2: Резисторы, регулирующие зарядный ток. Чем меньше значение R1, тем больше зарядный ток.
C1, C2: Входные и выходные фильтрующие конденсаторы для снижения шума.
D1: Светодиод состояния зарядки. Загорается во время зарядки, гаснет после завершения.
Vbat, GND: Положительный и отрицательный выводы литий-ионного аккумулятора.
5-вольтовый повышающий преобразователь
Один литий-ионный аккумулятор обеспечивает номинальное напряжение всего 3,7 В, но для зарядки USB-устройств требуется 5 В. Поэтому второй каскад представляет собой повышающий DC-DC преобразователь для регулирования напряжения аккумулятора до постоянного значения 5 В.

Для повышения напряжения можно использовать множество различных микросхем повышающих преобразователей, но среди хороших вариантов для портативных зарядных устройств можно выделить следующие:

MT3608 – выходное напряжение до 28 В/4 А
XL6009 – регулируемое напряжение до 35 В/4 А
SX1308 – до 28 В/2 А
Для повышения напряжения в этих микросхемах требуются индуктор, диод и конденсаторы, а также резисторы обратной связи для установки выходного напряжения.

Пример схемы повышающего преобразователя на основе MT3608:

[Типовая схема применения MT3608]

Основные компоненты:

L1: повышающий индуктор. Более высокая индуктивность повышает эффективность, но увеличивает размер.
D1: диод Шоттки для предотвращения обратного тока с выхода на вход.
C1, C2: входные и выходные фильтрующие конденсаторы. C2 должен иметь низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).

R1, R2: делитель напряжения с обратной связью. Соотношение R1/R2 устанавливает выходное напряжение.

EN: Включите вывод, подключите его к Vbat для включения преобразователя.
Защита батареи
Литиевые батареи могут быть опасны при перезарядке, переразрядке или коротком замыкании. Поэтому на печатной плате повербанка необходима схема защиты батареи для контроля напряжения и тока элемента.

Обычно используются специализированные микросхемы защиты батареи, такие как DW01 и FS312. Они располагаются между батареей и повышающим преобразователем и отключают нагрузку при обнаружении перегрузки по току или пониженного/повышенного напряжения.

Вот типичная схема защиты DW01:

Ключевые компоненты:

U1: микросхема защиты DW01 для контроля напряжения и тока
U2: двойной MOSFET для отключения батареи при срабатывании
R1, R2: резисторный делитель для установки напряжения обнаружения перезаряда
R3, C1: постоянная времени задержки обнаружения перегрузки по току
T1, T2: термистор для контроля температуры батареи
Завершающая сборка печатной платы Power Bank
Для завершения сборки Power Bank последним шагом является объединение цепей зарядки, повышения напряжения и защиты на одной печатной плате вместе с необходимыми разъемами и переключателями.

Вот упрощенная схема, показывающая, как соединены подсистемы:

[Блок-схема печатной платы Power Bank]

Дополнительные замечания:

Вход USB: USB-порт Micro или Type-C для зарядки повербанка. Должен быть подключен к Vbus и GND микросхемы зарядного устройства.
Выход USB: Один или несколько USB-портов Type-A для подключения устройств. Подключите к выходу 5 В и GND повышающего преобразователя.
Выключатель питания: Ползунковый или кнопочный переключатель SPST, включенный последовательно с положительной клеммой батареи, для включения или выключения повербанка и предотвращения нежелательного разряда.
Светодиодные индикаторы: Подключите светодиоды (часто в 3- или 4-полосной конфигурации) через резисторный делитель к напряжению батареи для отображения оставшегося уровня заряда.
После разработки принципиальной схемы и разводки печатной платы в программном обеспечении EDA вы можете заказать плату для изготовления. Наконец, припаяйте все компоненты, подключите батарею и протестируйте!

Советы по сборке печатной платы повербанка
Используйте хороший паяльник, припой и флюс. Бессвинцовый припой требует более высоких температур.
Дважды проверьте полярность перед пайкой, особенно для разъема батареи.

Включите контрольные точки для упрощения отладки и проводите измерения при первом включении платы.
Убедитесь, что переключатели и USB-порты надежно закреплены и имеют защиту от механических повреждений.
Рассмотрите возможность добавления монтажных отверстий или кронштейнов для аккумуляторного блока на печатную плату.
Запрограммируйте пользовательские параметры зарядки и пределы безопасности, если ваши микросхемы это позволяют.
Часто задаваемые вопросы
Какова типичная эффективность самодельного повербанка?
Большинство самодельных повербанков достигают эффективности около 65-85% от начала до конца, то есть 65-85% энергии от сетевого зарядного устройства поступает в заряжаемое устройство. Потери возникают из-за повышающего преобразователя, схемы защиты и сопротивления кабеля. Использование качественных компонентов и коротких и широких дорожек печатной платы помогает максимизировать эффективность.

Сколько времени занимает зарядка повербанка?
Время зарядки зависит от емкости батареи и зарядного тока, поддерживаемого микросхемой зарядного устройства. Например, батарея емкостью 2000 мАч будет заряжаться около 2 часов при 1 А или 4 часа при 500 мА. Некоторые микросхемы быстрой зарядки могут заряжать еще быстрее. Проверьте техническое описание микросхемы для получения информации о настройке зарядного тока.

Можно ли использовать восстановленные батареи от старых устройств?
Как правило, это не рекомендуется, поскольку вы не знаете историю или состояние восстановленных литий-ионных элементов. Для безопасности и надежности лучше покупать новые элементы у проверенного поставщика. Несоответствующие или деградировавшие элементы могут представлять опасность возгорания в портативном зарядном устройстве.

Каков типичный срок службы самодельного портативного зарядного устройства?
Срок службы в основном зависит от батареи, которая обычно рассчитана на 300-1000 циклов зарядки/разрядки, прежде чем емкость снизится до 70-80% от первоначальной. При умеренном использовании качественное самодельное зарядное устройство может прослужить 3-5 лет. Сами электронные компоненты могут прослужить гораздо дольше, если не получили физических повреждений.

Какие расширенные функции стоит добавить?
Быстрая зарядка USB-C PD с использованием совместимого повышающего преобразователя и порта USB-C.
Беспроводная зарядка Qi с помощью беспроводной передающей катушки и модуля.
Цифровое отображение уровня заряда батареи вместо светодиодов.
Солнечная зарядка с помощью небольшой солнечной панели и совместимого зарядного микросхемы.
Многоячеечная балансировка для более крупных аккумуляторных батарей.
Регулируемое выходное напряжение для различных устройств.
Заключение
Создание собственной печатной платы для повербанка может стать увлекательным и познавательным проектом в области электроники. Обладая базовыми навыками пайки, вы можете создать собственное USB-зарядное устройство для повседневного использования.

Понимая ключевые компоненты, такие как батарея, защитная микросхема, зарядное устройство и повышающий преобразователь, вы можете разработать схему, оптимизированную для желаемого размера и характеристик зарядки. Соблюдение лучших практик безопасности батарей и компоновки печатной платы приведет к созданию надежного самодельного повербанка.

Хотя самодельные повербанки не обязательно дешевле коммерческих, возможность выбора качественных компонентов и настройки функций делает это занятие достойным внимания для энтузиастов электроники. Так что берите батарейки и печатную плату и начинайте питать свои проекты!