Одного разу до рук потрапив акуратний маленький павербанк на базі одного літій-іонного елемента 18650. Такий павербанк може бути зручним резервним джерелом енергії «про всяк випадок». Але конкретно цей павербанк буквально зводить з розуму телефон, змушуючи його перезавантажуватися. Осцилограф показав, у чому корінь проблеми.
Перші підозри
На вигляд пристрій не викликав жодних підозр: звичайний USB-A порт, стандартний акумулятор типу 18650 всередині, акуратний корпус. Однак усе змінилося, коли підключаєш до нього телефон. Замість заряджання — перезавантаження. Повторна спроба дала той самий результат. Ймовірно, саме з цієї причини попередній власник і вирішив позбутись пристрою.
Замість здогадок — до справи. Використаємо осцилограф та електронне навантаження, щоб з’ясувати, що саме відбувається.
Як має виглядати нормальне джерело живлення
Почнемо з прикладу якісного джерела. Хороший зарядний пристрій або павербанк має забезпечувати стабільну напругу постійного струму без коливань. На осцилографі в режимі постійного струму (DC) це виглядає як рівна горизонтальна лінія — без пульсацій, без провалів, без стрибків.
У режимі змінного струму (AC), який фільтрує постійну складову й виділяє шум, лінія також повинна залишатися майже ідеальною — безвідхильною від нульового рівня. Будь-яке відхилення вказує на наявність високочастотного шуму.
У контрольному тесті з якісним зарядним пристроєм напруга залишалася стабільною. Пульсації були рівно нуль, що цілком очікувано при відсутності навантаження.
Що говорить специфікація USB
Відповідно до офіційної специфікації USB 2.0, глава 7, розділ 7.3.2, сторінка 178 (https://www.usb.org/document-library/usb-20-specification):
-
Для портів високої потужності (а це фактично всі сучасні порти): 4.75 В – 5.25 В
-
Для портів низької потужності (зараз практично не використовуються): 4.40 В – 5.25 В
Специфікація прямо не згадує термін «пульсація», однак усі перешкоди та коливання напруги повинні залишатися в зазначених межах. Формально маємо допустиме відхилення ±250 мВ. У якісних пристроях зазвичай проектують стабілізацію з пульсацією менше 5% (тобто не більше 250 мілівольт при 5 вольтах живлення).
Дослідження проблемного павербанку
На перший погляд цей павербанк виглядав нормально. Але щойно ми підключили осцилограф — усе стало на свої місця.
Без навантаження — вже проблеми
Без підключеного споживача напруга має залишатись рівною. Але тут на осцилографі одразу видно стрибки напруги. Це вже аномалія — при відсутності навантаження ніяких коливань бути не повинно.
Зі зростанням навантаження — ще гірше
Під час збільшення навантаження (0.2–0.3 А) з’являється синусоподібна форма сигналу, що абсолютно неприйнятно для стабілізованого джерела постійного струму.
При досягненні навантаження 0.5 А ситуація стає хаотичною: пульсації накладаються одна на одну. Напруга перестає бути передбачуваною, а сигнал на екрані осцилографа перетворюється на безлад.
Смартфони мають вбудовані мікросхеми керування живленням (PMIC), які дуже чутливі до нестабільної напруги. Коли пульсації перевищують межі, це може спричинити спрацювання захисту від заниженої напруги з непередбачуваними подальними наслідками, включаючи примусове перезавантаження.
Вимірювання шуму
У режимі AC осцилограф фільтрує постійну складову напруги, дозволяючи побачити виключно змінні пульсації – їх ще називають шумом. Якісний мережевий адаптер чи павербанк матиме шум в межах 5% напруги живлення.
У нашому випадку — навіть без навантаження — пульсація становила не менше 100 мВ. При навантаженні в 0.3 А вона майже сягнула 200 мВ. І тільки після досягнення навантаження понад 0.8 А рівень шуму знизився — що є абсолютно нетиповою поведінкою.
Ці значення майже досягають умовної галузевої межі в 250 мВ для живлення 5 В та порушують загальноприйняті норми стабільного живлення.
Нестандартна поведінка під високим навантаженням
Що цікаво: при досягненні приблизно 65% потужності цей павербанк працює краще — шум зменшується, форма сигналу нагадує стабільну напругу постійного струму, відображаючись на екрані осцилографа майже як пряма лінія.
Але це абсолютно протилежна поведінка до типової. У нормальних джерел живлення пульсація зростає зі збільшенням струму.
Це вказує на проблеми в конструкції. Найімовірніше, причина проблем — це мінімалістичний та економний дизайн підвищувального перетворювача. Зокрема:
-
Відсутність або недбало реалізований LC-фільтр на виході
-
Слабка компенсація у зворотному зв’язку
-
Дешевий контролер перетворювача
-
Конденсатори з високим ESR, або взагалі їхня відсутність
-
Погане компонування друкованої плати, шум по «землі»
Чому це критично для електроніки
Більшість мобільних пристроїв під час нормальної роботи не споживають струм на рівні 1–2 А постійно. Основна частина часу заряджання припадає на режим стабілізації напруги (CV), коли струм плавно зменшується з максимального до майже нульового. Саме в цьому діапазоні (100…500 мА) згаданий павербанк проявляє найгірші характеристики.
Таким чином, більшість реального часу заряджання — це період високої пульсації, і саме тоді виникають збої.
Висновки
Якість джерела живлення не визначається зовнішнім виглядом пристрою. Вона визначається поведінкою під навантаженням.
Якщо павербанк викликає перезавантаження смартфона або збої — не поспішайте звинувачувати телефон. Джерело живлення з великою пульсацією або нестабільною напругою може стати причиною системних збоїв.
Перед тим як довірити незнайомому павербанку чи мережевому адаптеру живлення ваших пристроїв — особливо якщо він був безкоштовним або надто дешевим — перевірте його осцилографом. Якщо рівень пульсації перевищує 5% при середньому навантаженні, такий пристрій не рекомендований для використання з сучасною електронікою.
За матеріалами: eb43.github.io
