Как производится печатная плата для портативного зарядного устройства (power bank)? 

Печатная плата портативного зарядного устройства является основным компонентом, позволяющим портативным зарядным устройствам накапливать энергию и заряжать различные электронные устройства в дороге. Внешние аккумуляторы стали незаменимым аксессуаром для пользователей смартфонов и планшетов, которым требуется дополнительное время работы от батареи в течение дня.
Разработка и сборка собственной печатной платы для внешнего аккумулятора позволяет создать компактное зарядное устройство, адаптированное к вашим конкретным потребностям в зарядке устройств. В этом руководстве мы рассмотрим ключевые компоненты и шаги, необходимые для создания схемы внешнего аккумулятора на печатной плате своими руками.
Для создания функциональной печатной платы внешнего аккумулятора вам понадобятся следующие основные компоненты:
Описание компонента
Литий-ионный или литий-полимерный аккумулятор Перезаряжаемый аккумулятор для хранения энергии, обычно 3,7 В
Повышающий преобразователь Повышающий преобразователь постоянного тока для увеличения напряжения батареи до 5 В на выходе USB
Микросхема защиты аккумулятора Защищает аккумулятор от перезаряда, переразряда и короткого замыкания
Разъем USB Гнездо USB-A для подключения устройств для зарядки
Разъем Micro USB Штекер Micro USB для зарядки аккумулятора внешнего аккумулятора
Выключатель питания Ползунковый или кнопочный переключатель для включения/выключения внешнего аккумулятора
Светодиодные индикаторы Отображают оставшуюся емкость аккумулятора и состояние зарядки
Резисторы, конденсаторы Вспомогательные компоненты для регулирования и фильтрации напряжения
Печатная плата Печатная плата для монтажа и подключения компонентов
Выбор аккумулятора
Аккумулятор является ключевым компонентом, определяющим емкость и размер вашего внешнего аккумулятора. Литий-ионные и литий-полимерные (LiPo) элементы чаще всего используются из-за их высокой плотности энергии и возможности перезарядки.

Типичная емкость аккумуляторов для портативных зарядных устройств варьируется от 2000 мАч до более 20 000 мАч для моделей с высокой емкостью. Приблизительно 2000-3000 мАч достаточно для полной зарядки большинства смартфонов один раз.
Некоторые популярные размеры и конфигурации аккумуляторов для портативных зарядных устройств, устанавливаемых на печатную плату, включают:
Конфигурация Тип элемента Номинальное напряжение Типичная емкость Расположение на печатной плате
1S1P 18650 Li-ion 3,7 В 2600 мАч Один элемент
1S2P 18650 Li-ion 3,7 В 5200 мАч Рядом
2S1P 18650 Li-ion 7,4 В 2600 мАч Вертикально
1S 103450 LiPo 3,7 В 1800 мАч Плоский корпус
Выбранная конфигурация аккумулятора повлияет на расположение компонентов на печатной плате и необходимую вспомогательную схему. В этом руководстве мы сосредоточимся на простом портативном зарядном устройстве с одним элементом 18650.
Проектирование схемы портативного зарядного устройства
Схема зарядки аккумулятора
Первый этап — это схема зарядки аккумулятора для подзарядки литий-ионного элемента 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 с одним литий-ионным элементом:
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 несколько внешних резисторов и конденсаторов для установки зарядного тока и порога отключения.
Вот типичная схема зарядки на основе TP4056:
[Схема типичного применения TP4056]
Ключевые компоненты:
R1, R2: Резисторы для установки зарядного тока. Меньшее значение R1 увеличивает зарядный ток.
C1, C2: Входные и выходные фильтрующие конденсаторы для уменьшения шума.
D1: Светодиод состояния зарядки. Загорается во время зарядки, гаснет после завершения. Vbat, GND: Положительный и отрицательный выводы литий-ионной батареи.
Повышающий преобразователь 5 В
Одна литий-ионная батарея обеспечивает номинальное напряжение всего 3,7 В, но для зарядки USB-устройств требуется 5 В. Поэтому второй ступенью является повышающий (ступенчатый) преобразователь постоянного тока для регулирования напряжения батареи до постоянного значения 5 В.
Можно использовать множество различных микросхем повышающих преобразователей, но хорошими вариантами для повербанков являются:
MT3608 – выход до 28 В/4 А
XL6009 – регулируемый до 35 В/4 А
SX1308 – до 28 В/2 А
Для этих микросхем требуются индуктор, диод и конденсаторы для повышающего преобразования, а также резисторы обратной связи для установки выходного напряжения.
Пример схемы повышающего преобразователя на основе MT3608:
[Схема типового применения MT3608]
Основные компоненты:
L1: Повышающий индуктор. Большая индуктивность повышает эффективность, но увеличивает размер.
D1: Диод Шоттки для предотвращения обратного тока от выхода ко входу.
C1, C2: Входные и выходные фильтрующие конденсаторы. C2 должен иметь низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).
R1, R2: Делитель напряжения обратной связи. Соотношение R1/R2 определяет выходное напряжение.
EN: Вывод включения, подключите 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 защиты
R1, R2: Резистивный делитель для установки напряжения обнаружения перезаряда
R3, C1: Постоянная времени задержки обнаружения перегрузки по току
T1, T2: Термистор для контроля температуры батареи
Сборка печатной платы Power Bank
Для завершения создания Power Bank последний шаг — объединить схемы зарядки, повышающего преобразователя 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]
Некоторые дополнительные соображения:
Входной USB: Порт Micro или Type-C USB для зарядки Power Bank. Должен быть подключен к Vbus и GND микросхемы зарядного устройства.
Выходной USB: Один или несколько портов Type-A USB для подключения устройств. Подключаются к выходу 5 В и GND повышающего преобразователя.
Выключатель питания: Однополюсный переключатель (ползунковый или кнопочный) последовательно с положительным выводом батареи для включения и выключения Power Bank и предотвращения нежелательного разряда.
Светодиодные индикаторы: Подключите светодиоды (часто в виде 3 или 4 полосок) через резистивный делитель к напряжению батареи для отображения оставшегося уровня заряда.
После проектирования схемы и разводки печатной платы в программном обеспечении EDA вы можете заказать изготовление платы. Наконец, припаяйте все компоненты, подключите батарею и протестируйте!
Советы по сборке печатной платы Power Bank
Используйте хороший паяльник, припой и флюс. Для бессвинцового припоя требуются более высокие температуры.
Дважды проверьте полярность перед пайкой, особенно для разъема батареи.
Включите контрольные точки для удобной отладки и проводите измерения при первом включении платы.
Убедитесь, что переключатели и порты USB надежно закреплены и имеют защиту от натяжения.
Рассмотрите возможность добавления отверстий или кронштейнов для крепления аккумуляторной батареи к печатной плате.
Запрограммируйте пользовательские параметры зарядки и пределы безопасности, если это позволяют ваши микросхемы.
Часто задаваемые вопросы
Какова типичная эффективность самодельного Power Bank?
Большинство самодельных Power Bank достигают эффективности около 65-85% от начала до конца, что означает, что 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 на печатной плате помогает максимально повысить эффективность.
Сколько времени занимает зарядка внешнего аккумулятора?
Время зарядки зависит от емкости аккумулятора и зарядного тока, поддерживаемого микросхемой зарядного устройства. Например, зарядка аккумулятора емкостью 2000 мАч займет около 2 часов при токе 1 А или 4 часа при токе 500 мА. Некоторые микросхемы быстрой зарядки позволяют заряжать еще быстрее. Информацию о настройке зарядного тока можно найти в технической документации на микросхему.

Можно ли использовать батареи, извлеченные из старых устройств?
Как правило, это не рекомендуется, поскольку вы не знаете историю использования и состояние извлеченных литий-ионных элементов. Для обеспечения безопасности и надежности лучше покупать новые элементы у надежного поставщика. Несоответствующие или изношенные 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 заряда/разряда, прежде чем емкость снизится до 70-80% от первоначальной. При умеренном использовании хорошо сделанное самодельное зарядное устройство может прослужить 3-5 лет. Сама электроника может прослужить гораздо дольше, если не будет физически повреждена.
Какие дополнительные функции можно добавить?
Быстрая зарядка USB-C PD с помощью совместимого повышающего преобразователя и порта USB-C
Беспроводная зарядка Qi путем интеграции катушки и модуля беспроводной передачи энергии
Цифровой индикатор уровня заряда батареи вместо светодиодов
Солнечная зарядка с помощью небольшой солнечной панели и совместимого зарядного контроллера
Балансировка нескольких элементов для больших аккумуляторных блоков
Регулируемое выходное напряжение для различных устройств
Заключение
Создание собственной печатной платы для портативного зарядного устройства может стать увлекательным и познавательным проектом в области электроники. Имея базовые навыки 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 проектирования печатных плат позволит создать надежное самодельное портативное зарядное устройство.
Хотя самодельные портативные зарядные устройства не обязательно дешевле коммерческих, возможность выбора качественных компонентов и настройки функций делает это стоящим занятием для любителей электроники. Так что возьмите несколько элементов и печатную плату и начните питать свои проекты!