Однажды в руки попал аккуратный маленький павербанк на базе одного литий-ионного элемента 18650. такой павербанк может быть удобным резервным источником энергии «на всякий случай». Но конкретно этот павербанк буквально сводит с ума телефон, заставляя его перезагружаться. Осциллограф показал, в чем корень проблемы.
Первые подозрения
На вид устройство не вызывало никаких подозрений: обычный USB-A порт, стандартный аккумулятор типа 18650 внутри, аккуратный корпус. Однако все изменилось, когда подключаешь к нему телефон. Вместо зарядки — перезагрузка. Повторная попытка дала тот же результат. Вероятно, именно по этой причине предыдущий владелец и решил избавиться от устройства.
Вместо догадок — к делу. Используем осциллограф и электронную нагрузку, чтобы выяснить, что именно происходит.
Как должен выглядеть нормальный источник питания
Начнем с примера качественного источника. Хорошее зарядное устройство или павербанк должно обеспечивать стабильное напряжение постоянного тока без колебаний. На осциллографе в режиме постоянного тока (DC) это выглядит как ровная горизонтальная линия — без пульсаций, без провалов, без скачков.
В режиме переменного тока (AC), который фильтрует постоянную составляющую и выделяет шум, линия также должна оставаться почти идеальной — безотзывной от нулевого уровня. Любое отклонение указывает на наличие высокочастотного шума.
В контрольном тесте с качественным зарядным устройством напряжение оставалось стабильным. Пульсации были ровно ноль, что вполне ожидаемо при отсутствии нагрузки.
Что говорит спецификация USB
Согласно официальной спецификации USB 2.0, глава 7, Глава 7.3.2, стр. 178 (https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification):
-
Для портов высокой мощности (а это фактически все современные порты): 4.75 В — 5.25 В
-
Для портов низкой мощности (сейчас практически не используются): 4.40 В – 5.25 в
В спецификации прямо не упоминается термин «пульсация», однако все помехи и колебания напряжения должны оставаться в указанных пределах. Формально имеем допустимое отклонение ±250 мВ. В качественных устройствах обычно проектируют стабилизацию с пульсацией менее 5% (т. е. не более 250 милливольт при 5 вольтах питания).
Исследование проблемного павербанка
На первый взгляд этот павербанк выглядел нормально. Но как только мы подключили осциллограф — все стало на свои места.
Без нагрузки — уже проблемы
Без подключенного потребителя напряжение должно оставаться ровным. Но тут на осциллографе сразу видны скачки напряжения. Это уже аномалия — при отсутствии нагрузки никаких колебаний быть не должно.
С ростом нагрузки-еще хуже
Во время увеличения нагрузки (0.2–0.3 а) появляется синусоподобная форма сигнала, что совершенно неприемлемо для стабилизированного источника постоянного тока.
При достижении нагрузки 0.5 а ситуация становится хаотичной: пульсации накладываются друг на друга. Напряжение перестает быть предсказуемым, а сигнал на экране осциллографа превращается в беспорядок.
Смартфоны имеют встроенные микросхемы управления питанием (PMIC), которые очень чувствительны к нестабильному напряжению. Когда пульсации превышают пределы, это может привести к срабатыванию защиты от заниженного напряжения с непредсказуемыми подальными последствиями, включая принудительную перезагрузку.
Измерение шума
В режиме AC осциллограф фильтрует постоянную составляющую напряжения, позволяя увидеть исключительно переменные пульсации-их еще называют шумом. Качественный сетевой адаптер или павербанк будет иметь шум в пределах 5% напряжения питания.
В нашем случае — даже без нагрузки — пульсация составляла не менее 100 мВ . При нагрузке в 0.3 а она почти достигла 200 мВ . И только после достижения нагрузки свыше 0.8 а уровень шума снизился — что является совершенно нетипичным поведением.
Эти значения практически достигают условного отраслевого предела в 250 мВ для питания 5 В и нарушают общепринятые нормы стабильного питания.
Нестандартное поведение под высокой нагрузкой
Что интересно: при достижении примерно 65% мощности этот павербанк работает лучше — шум уменьшается, форма сигнала напоминает стабильное напряжение постоянного тока, отображаясь на экране осциллографа почти как прямая линия.
Но это совершенно противоположное поведение типичному. У нормальных источников питания пульсация возрастает с увеличением тока.
Это указывает на проблемы в конструкции. Вероятнее всего, причина проблем-это минималистичный и экономный дизайн повышающего преобразователя. Отдельно:
-
Отсутствие или небрежно реализованный LC-фильтр на выходе
-
Слабая компенсация в обратной связи
-
Дешевый контроллер преобразователя
-
Конденсаторы с высоким ESR, или вообще их отсутствие
-
Плохая компоновка печатной платы, шум по «земле»
Почему это критично для электроники
Большинство мобильных устройств во время нормальной работы не потребляют ток на уровне 1-2 а постоянно. Основная часть времени зарядки приходится на режим стабилизации напряжения (CV) , когда ток плавно уменьшается с максимального до почти нулевого. Именно в этом диапазоне (100…500 мА) упомянутый павербанк проявляет наихудшие характеристики .
Таким образом, большая часть времени зарядки в реальном времени — это период высокой пульсации, и именно тогда возникают сбои.
Выводы
Качество источника питания не определяется внешним видом устройства. Оно определяется поведением под нагрузкой .
Если павербанк вызывает перезагрузку смартфона или сбои — не спешите обвинять телефон. Источник питания с большой пульсацией или нестабильным напряжением может стать причиной системных сбоев.
Перед тем как доверить незнакомому павербанку или сетевому адаптеру питания ваших устройств — особенно если он был бесплатным или слишком дешевым — проверьте его осциллографом. Если уровень пульсации превышает 5% при средней нагрузке, такое устройство не рекомендовано для использования с современной электроникой .
По материалам: eb43.github.io
