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USB Power-pack 18650

icon 03/03/2017

J'ai gagné un power-pack qui ressemble fort à une Chinoiserie. D'après ce qui est marqué sur la boite, il est capable de fournir 5V à 500mA, et d'avoir une capacité de 2.6Ah. Comme j'ai suspecté la Chinoiserie, je me suis dit que ça vallait le coup de tester la chose.

Démontage
Deux vis tiennent une sorte de tiroir qui glisse dans la coque, avec une cellule 18650 notée "ASO QP2P091EH 801780 SZN" collée sur le tiroir. Aucune datasheet ne sort après des recherches, par contre on en trouve à vendre sur des sites Chinois bien connus.
Le PCB est simplement clipsé dans le tiroir.
hidden screws under the sticker
box, battery and converter

Batterie
Dans l'état d'origine, la batterie était déchargée à 3.4V (elle est probablement restée stockée longtemps), après un premier cycle à 4.1V -> 3V à 1A, la forme de la courbe (plateau peu pentu entre 3.8V et 3.65V, début de coude à 3.1V, capacité de 2.0Ah), ça suppose une batterie Li-po récente, chargée à 4.2V et déchargée jusqu'à 2.7V.
Un second cycle complet (4.2V -> 2.7V à 1A) à donné 2.49Ah, pas si mal pour des batteries données pour 2.6Ah.

Draining a Lithium-Chinesium cell
Sur cette courbe, on affiche la tension de la batterie en fonction de la durée de la décharge (courant constant à 1A).
La capacité peut se trouver en multipliant le courant par la durée de décharge (2.49Ah ici).

Convertisseur Boost
Le PCB est très compact avec des composants sur les deux faces, mais le convertisseur boost utilise totalement la face du dessus.
top side of the PCB, boost converter

Protections
Avant de commencer, il faut tester si le convertisseur est fiable et ne risque pas cramer ce qui est branché dessus, ou bien de détruire la batterie.
  • Tension d'entrée minimale (cutoff) : 2.55V (à 1mA), en décharge de la batterie
  • Tension d'entrée minimale (démarrage) : 2.74V (à vide)
  • Tension d'entrée maximale : Ø
  • Courant de sortie maximal : Ø
  • Courant d'entrée maximal : Ø
  • Tension de sortie minimale : Ø
  • Tension de sortie maximale : Ø
  • Température maximale : Ø

Du coup les protections ne protègent que la batterie, il n'y a aucune autre protection. Il est possible de consommer jusqu'à 1A avant que la tension de sortie chute en dessous de 4.5V (parfois en dessous de la tension d'entrée si on continue à augmenter le courant de sortie).
Il ne semble pas y avoir de limite de température non-plus, puisqu'en dissipant plus de 3W dans un chip SOT223 et une diode, pendant plusieurs minutes, aucune protection ne se déclanche.

Schéma
Ce convertisseur est sur une seule face du circuit imprimé, avec un circuit intégré en SOT-223 (B3P4A, datasheets introuvables), une self (non-mesurée), une diode Schottky SS14 (1A, 40V, 300pF), et une minuscule capa (20µF).
À noter qu'il n'y a pas de capacité pour découpler la batterie (l'ESR est censé être faible et les fils courts), du coup il a fallu souder une capacité de 220uF (l'ESR importe peu) pour compenser les câbles de mesure un peu longs et l'alimentation de labo.

test points and decoupling capacitor
(Banana for scale)

Rendement
J'ai mesuré le rendement en variant la tension d'alimentation de 2.8V à 4.3V, pour plusieurs valeurs de courants de sortie : 10mA, 100mA et 500mA (le rendement à 1mA est autour de 30%, mais ne correspond à aucun cas réaliste).
Chinese boost efficiency versus input voltage

J'ai aussi mesuré le rendement à tension d'alimentation constante (3.7V) et en faisant varier le courant de sortie de 0 à 500mA.
Chinese boost efficiency versus output current

Le rendement de 83 à 86% est une bonne surprise pour une Chinoiserie, et la plage de rendement est assez large. En général, on peut espérer autour de 90% d'une alimentation boost de cette puissance, et il ne faut pas oublier que la LED consomme 2mA sur le +5V (très visible à faible charge).

Consommation à vide
Le courant de fuite, lorsque l'alimentation est arrêtée est négligeable devant l'auto-décharge de la batterie (la batterie devrait être déchargée au bout de 7 ans).
En pratique, on mesure entre 20 et 60µA en fonction de la tension d'alim.

Ripple
Pendant certains tests, j'avais remarqué un couinement audible, avant de rajouter une capacité de découplage de la batterie, du coup j'ai supposé que la CEM n'a pas trop été recherchée.

J'ai mesuré les cas extrêmes (3V, 1mA; 3V, 500mA; 4.2V, 1mA; 4.2V, 500mA), tout en vérifiant le comportement de cas intermédiaires.
Bingo, la tension de sortie a un ripple énorme (100mV à vide, 60mV en faible charge à 4.2V, et 200mV au courant maximal).
La forme de la tension au noeud de switch montre beaucoup de rebonds à faible courant de sortie.
On peut aussi voir que la régulation n'est pas très stable (sous-modulation), et la tension de sortie n'est pas toujours bien régulée.

ripple and oscillation at 3V/100mA
ripple at 3V/500mA

Chargeur
Le BMS, le chargeur et les autres composants (LEDs, switch, nmos) sont montés sur la face du dessous du PCB.
bottom side of the PCB, linear charger and BMS

Le chargeur est une copie d'un LTC4054-4.2 en boitier SOT23-5 (marquage LTH7). La résistance de "programmation" de 1.8kΩ règle le courant de charge à 555mA, mesurés à 500mA.
C'est un chargeur linéaire, du coup le chip est plutôt chaud en début de charge (1W dissipés).
Chinese charger current versus cell voltage

On peut vérifier quelques données :
  • Trickle charge : 29µA (négligeable, on peut supposer que ce n'est pas implémenté)
  • Début de charge : 2.89V
  • Fin de charge : 4.25V

Correction
Les soudures des câbles de batterie m'ont paru un peu fragiles, et le câble négatif est à quelques mm du terminal de batterie.
Un peu de scotch isolant ne peut pas faire de mal.
some isolating tape couldn't hurt

Références

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