Elektronička meta – Power Bank

U sklopu projekta Elektroničke mete potrebno mi je neko baterijsko napajanje CrowPanela. Maksimalna potrošnja CrowPanela sa 10,1“ displejom je 1 A (puno pozadinsko osvjetljenje), a minimalna potrošnja je oko 300 mA (minimalno pozadinsko osvjetljenje). Potrebna autonomija rada je do 10 sati, što znači da bi trebalo ugraditi baterijsko napajanje kapaciteta oko 10 000 mAh (3,7 – 5 V).

Najpraktičnije rješenje je nabaviti neko kućište za Power Bank sustave u koje se može umetnuti određena količina standardnih Li-Ion baterijskih članaka, obično tip 18650. Možete kupiti kućišta koja prihvaćaju različit broj baterijskih članaka, obično od 4 do 40 komada, koji su u Power Banku spojeni paralelno. Jednako tako možete kupiti i baterijske članke tip 18650 širokog raspona kapaciteta, tipično od 1500 mAh do 3500 mAh (sve deklarirano preko 3600 mAh je sasvim sigurno lažna deklaracija). Na taj način možete konfigurirati neki svoj namjenski Power Bank kapaciteta od nekih 5 Ah pa do preko 140 Ah.

Power Bank ima dva ulazna priključka za punjenje (USB Micro i USB Type C) i dva izlazna priključka za trošilo  (USB Type A). Tu su i dvije LED koje služe kao priručna svjetiljka. “Zrcalni” prozorčić je zapravo proziran i preko njega se vidi LED displej za prikaz postotka napunjenosti baterija. Simbol u obliku munje je tipkalo kojim se aktivira izlaz 5 V, prikaz napunjenosti baterija i LED svjetiljka.

Odlučio sam se za kupnju ova dva Power Bank kućišta jer mi najbolje odgovaraju dimenzijama: manje kućište za 8 baterija paše uz 7“ CrowPanel displeje, a veliko kućište za 10 baterija paše uz 10,1“  CrowPanel displeje.  Umjesto ovoga, mogao sam odabrati i neku Li-Po/Li-Ion 1S (3,7 V) vrećastu ćeliju (plosnatog oblika u foliji) koje dolaze u različitim dimenzijama i kapacitetima raspona od 10 mAh pa sve do 20 000 mAh. Međutim, generalno gledano, pojedinačne 18650 baterije su sigurnije i praktičnije za korištenje, te jednostavnije za nadogradnju i zamjenu, pogotovo kada vam treba veći kapacitet ili kapacitet koji možete sami konfigurirati.

Prijevod kineskih znakova

• Prijenosno napajanje (odnosno “Power Bank”)
• Model: L10, odnosno L8
• Kapacitet: 30 000 mAh, odnosno 20 000 mAh
• Ulaz (punjenje power banka): 5V / 2A (Max)
• Izlaz (punjenje mobitela): 5V / 1A & 2A

Power Bank za 10 baterija dolazi u dvodijelnom kućištu koje se spaja plastičnim žabicama (pritiskom). Jedva sam nekako uspio razdvojiti ove žabice skrivene u unutrašnjosti okolo ruba kućišta. Jednom kada modificiram, napunim i zatvorim ovaj PowerBank, velika je vjerojatnost da ga više neću moći otvoriti bez oštećenja. S druge strane, ako vam ovakav PowerBank padne s metar visine, vjerojatno će se pod težinom 10 baterija raspasti i razletjeti svuda okolo. Power Bank za 8 baterija je napravljen puno pametnije i ovdje se dva dijela kućišta spajaju sa četiri vijka.

Za ovakva Power Bank kućišta se ne preporuča ugradnja baterijskih članaka koji imaju ugrađenu svoju internu zaštitu, jer bi on zbunjivao elektroniku zaštitnih čipova unutar Power Banka. Uostalom, baterijski članci sa internom zaštitom su nešto duži od onih bez zaštite i fizički ne stanu u ovakva kućišta, jednako kao ni članci koji imaju ispupčen kontakt za plus pol.

Oba Power Banka imaju jednaku elektroniku koja se bazira na čipu za punjenje Hichon SM5308 i čipu za zaštitu baterije XySemi XB7608. Dodan je i mali mikrokontroler (bez oznaka) za kontrolu prikaza na LED displeju. Sva tri čipa su kineska što znači da za njih možete naći samo najosnovnije podatke na kineskom jeziku.

Centralni čip je Hichon SM5308 (Power Management SOC) namijenjen prvenstveno za prijenosne punjače (Power Bankove) i uređaje koji koriste jednu ili više paralelno spojenih litij-ionskih ili litij-polimerskih baterija. Ovaj čip objedinjuje funkcije punjenja baterije, podizanja izlaznog napona na 5 V (DC/DC pretvarač) i indikacije napunjenosti baterije.

Shema spajanja čipa Hichon SM5308 iz tvorničke dokumentacije.

Glavne funkcije čipa SM5308:

• Maksimalna struja punjenja baterija je 2,1 A (preko prekidačkog regulatora napona punjenja učinkovitosti do 91%).
• Izlazni napon je stabilnih 5 V pri maksimalnoj struji pražnjenja do 2,4 A (preko DC/DC Boost pretvarača učinkovitosti do 92%).
• Integrirana funkcija (Power Path Management) omogućuje istovremeno punjenje i pražnjenje (uređaj se puni dok istovremeno napaja drugi priključeni uređaj).
• Čip automatski prilagođava struju punjenja ovisno o snazi mrežnog adaptera kako bi spriječio preopterećenje punjača.
• Prilagođen je radu s modernim litijskim baterijama različitih naponskih razina: 4,20V / 4,30V / 4,35V / 4,40V.
• Čip automatski prepoznaje spajanje opterećenja: samostalno detektira kada je trošilo priključeno (pokreće izlaz) ili isključeno (gasi izlaz).
• Kada nema priključenog potrošača (stanje mirovanja), čip automatski ulazi u mod spavanja gdje struja mirovanja iznosi manje od 10 μA.
• Posjeduje funkciju aktivacije i punjenja potpuno ispražnjenih baterija (0V battery charge support).
• Podržava vizualni prikaz kapaciteta (razine napona) baterije pomoću konfiguracije od 1, 2, 3 ili 4 LED diode (pinovi 2-4: LED1, LED2, LED3).
• Kontrola preko jedne tipke (pin 5 – KEY): Čip prepoznaje kratki pritisak tipke (paljenje izlaza i prikaz stanja baterije) i dugi pritisak (duže od 2 sekunde). Dugi pritisak tipke koristi se za direktno uključivanje ili isključivanje ugrađene LED svjetiljke na uređaju.
• Alarm za praznu bateriju: Ako napon baterije padne ispod 3,0V, izlaz se isključuje, a LED diode bljeskaju 8 sekundi kao upozorenje prije potpunog odlaska u standby.
• Čip ima ugrađenu zaštitu izlaza od prekomjerne struje (overcurrent), prenapona (overvoltage) i kratkog spoja (short-circuit) s automatskim restartom svake sekunde.
• Čip ima ugrađenu zaštitu baterije i ulaza od prepunjavanja (overcharge), prekomjernog pražnjenja (over-discharge) te ulaznog prenapona.
• Integrirani temperaturni senzor automatski smanjuje struju ili gasi sustav u slučaju pregrijavanja čipa (overtemperature protection).

Čip SM5308 dolazi u ESOP-8 kućištu (8-pinski SMD čip s dodatnom termalnom podlogom na dnu za bolje hlađenje). Pinovi su rasporedom i funkcijom kompatibilni s popularnim čipom IP5306.

Iako glavni čip Hichon SM5308 prema specifikacijama ima sve što se može poželjeti od jednog Power Management čipa, ipak ima neka ograničenja ovisno o uvjetima rada, a interni otkaz dijela čipa (MOSFET) može dovesti do otkazivanja zaštitnih krugova baterije. U najgorem slučaju, otkazom ovog čipa može doći do prepunjavanja, kratkog spoja ili sličnih nedozvoljenih napona i struja na bateriji što onda može dovesti do uništenja ili zapaljenja baterije.

Kako bi se dobio evropski sigurnosni certifikat (CE) baterija mora zadovoljavati stroge europske direktive o zdravlju i sigurnosti. CE certifikat između ostalog jamči da baterija:

• Neće eksplodirati ili se zapaliti uslijed vanjskog kratkog spoja, prepunjavanja ili prevelikog pražnjenja.
• Može izdržati toplinski stres (testiranje na visokim temperaturama u komorama) bez izazivanja thermal runaway efekta (toplinskog bježanja).
• Ima mehaničku otpornost, odnosno da kućište i folija neće puknuti pri padu, vibracijama ili prignječenju.

Da bi se udovoljili standardi iz prve točke zaštita koju pruža sam čip SM5308 mora se dodatno poboljšati. Stoga je na našu pločicu dodan još jedan namjenski čip XB7608, čija je jedina uloga zaštita baterije od kratkog spoja, prepunjavanja ili prevelikog pražnjenja. On služi kao neophodan drugi stupanj sigurnosti (redundancija) i rješava fizička ograničenja glavnog kontrolera SM5308. U komercijalnim prijenosnim Power Bankovima, kombinacija ova dva čipa ugrađuje se iz nekoliko ključnih razloga:

• Fizičko odvajanje baterije u slučaju katastrofalnog kvara: Glavni čip SM5308 upravlja i punjenjem i pražnjenjem preko istih unutarnjih MOSFET tranzistora. Ako ti MOSFET-i interno “probiju” (između pinova nastane kratki spoj), njegove vlastite zaštite prestaju raditi. U tom slučaju XB7608 djeluje kao drugi neovisni elektronički osigurač (nalazi na samoj liniji između baterijske ćelije i ostatka elektronike) koji elektronički iskapča minus pol baterije i sprječava njezino zapaljenje ili eksploziju.
• Zaštita od dubokog pražnjenja (Prekomjerna potrošnja u standby-u): Kada se power bank ne koristi dugo vremena, SM5308 se nalazi u stanju mirovanja i troši manje od 10 μA. Međutim, ako baterija s vremenom prirodno uslijed samopražnjenja padne ispod kritične razine (npr. ispod 2,5V), sam SM5308 više nema dovoljno napona za ispravan rad svoje logike. Čip XB7608 je dizajniran da radi na ekstremno niskim naponima i troši zanemarivu struju (oko 3,5 μA). On precizno detektira kritičnu točku i potpuno “uspavljuje” sustav (Power-down mode) kako baterija ne bi trpjela daljnje ubrzano pražnjenje i u konačnici trajno kemijsko oštećenje zbog prevelikog pada napona. Kada se tako ispražnjen PowerBank ponovno spoji na punjenje, čip SM5308 detektira 0 V jer je XB7608 potpuno isključio bateriju. Funkcija „0V battery charge support“ na SM5308 tada zapravo prvo budi XB7608 koji provjerava da li je baterija uopće sposobna za punjenje (da li mala struja punjenja uzrokuje dovoljno brz porast napona), te ako se napon povrati na sigurno razinu tek tada dopušta punjenje baterije jačom strujom.
• Hardverska brzina reakcije na kratki spoj: SM5308 je složen sustav koji se oslanja na unutarnju kontrolnu logiku i algoritme kako bi prepoznao anomalije. Obrada tog signala, iako brza, zahtijeva određeno vrijeme i stvara kašnjenje u konačnoj reakciji. XB7608 je jednostavan, posve hardverski i iznimno brz elektronički sklop. Vrijeme detekcije kratkog spoja kod njega iznosi svega oko 140 do 240 μs. On reagira i prekida strujni krug znatno brže nego što se logika glavnog čipa uspije aktivirati.
• Zaštita od pogrešnog polariteta (Reverse Battery Protection): Ako se tijekom umetanja baterija slučajno okrene polaritet (zamijeni plus i minus), glavni čip SM5308 bi trenutno pregorio jer nema robusnu zaštitu od obrnutog polariteta na samim baterijskim pinovima. XB7608 posjeduje integriranu zaštitu od obrnutog spajanja baterije i punjača. On u djeliću sekunde blokira prolaz struje i tako spašava cijelu tiskanu pločicu i glavni procesor od uništenja.

Blok shema čipa XB7608 iz tvorničke dokumentacije. 

Kombinacija ova dva čipa (pametan Power Management čip SM5308 i brzi hardverski osigurač XB7608) čini jedan prilično siguran sustav kontrole i zaštite litijskih baterija koji nadopunjuje jedan drugoga i ispunjava sigurnosni standard za ovakve sustave.

Za indikaciju napunjenosti baterije na ovom PowerBanku se ne koristi kombinacija 4 LED diode izravno kontrolirana preko čipa SM5308 (25%, 50%, 75%, 100%), nego je ugrađen mali jeftini MCU koji upravlja 7-segmentnim LED displejom sa 2,5 znamenke. Na pločici se može vidjeti da LED pinovi čipa SM5308 (2, 3 i 4) preko otpornika vode na MCU, što znači da sam MCU ne mora imati vlastiti ADC nego samo obrađuje podatke sa LED pinova čipa SM5308. Tako se dobiva preciznija (ili barem oku ljepša) indikacija napunjenosti u postocima (1-100%) sa rezolucijom od 1% umjesto 25%.

Crow Panel mogu spojiti na ovaj Power Bank na dva načina: na baterijski napon (3,7 – 4,2 V) ili na DC/DC izlaz koji daje stabilnih 5 V. Što se tiče izlaza od 5 V uvijek se postavlja pitanje „čistoće“ toga izlaza, odnosno koji je ripple izlaznog DC napona. Pod pojmom ripple se misli na visokofrekvencijski šum koji stvaraju brzi prekidački pretvarači. U konkretnom slučaju to je VF šum na 500 kHz, kolika je radna frekvencija prekidačkog DC/DC pretvarača unutar čipa SM5308.

Mjerenje ripple (valovitosti) izlaznog napona podrazumijeva dakle mjerenje VF šuma koji DC/DC pretvarač unosi u izlazni napon. Ovo mjerenje nije baš jednostavno izvesti i ovisi o nizu faktora. U prvom redu treba biti svjestan samog mjernog kruga, odnosno mjerne opreme koja se koristi. S obzirom da se vrši mjerenje vrlo malih razina napona, reda mV, relativno visoke frekvencije, mjerna oprema mora biti izolirana od bilo kakvih vanjskih EM smetnji i sveprisutnog mrežnog šuma (zajedničkog šuma uzemljenja). U protivnom, taj strani EM šum na osciloskopu može biti amplitudno višestruko veći i izraženiji od šuma koji stvara DC/DC konverter. Također, može se dogoditi i obrnuti slučaj. Loše izvedene ili dugačke mjerne žice mogu sadržavati povećani vlastiti (parazitski) kapacitet i induktivitet koje onda mogu djelovati kao VF filtar ili čak rezonator za neke VF frekvencije. To će dati posve krivu sliku stvarnog VF šuma i valovitosti DC napona iz konvertera.

Isto tako, kod mjerenja šuma treba biti upoznat s načinom rada samog DC/DC pretvarača. On gotovo nikad ne radi jednako na svim opterećenjima. Stoga se stvarni, mjerodavni ripple DC/DC pretvarača uvijek mjeri pod točno definiranim, standardiziranim uvjetima kako bi se dobila stvarna slika o stabilnosti napona. Proizvođači u tehničkim tablicama (datasheetu) najčešće navode ripple za maksimalno opterećenje pretvarača i pri nominalnom naponu baterije (oko 3,7 V do 3,8 V).

Tvornička specifikacija za izlazni ripple čipa Hichon SM5308 (kao i za njegovog ekvivalenta IP5306) iznosi tipično 50 mV, dok je maksimalna dopuštena tvornička granica postavljena na 100 mV. Ripple od 50 mV se jamči isključivo pod sljedećim strogo definiranim uvjetima:

• Napon baterije: 3,7 V (nominalni napon litijske ćelije u sredini ciklusa pražnjenja).
• Izlazni napon: 5,0 V.
• Frekvencija preklapanja: 500 kHz fiksno (što znači da je čip u punom PWM režimu, a ne u PFM “burst” modu).
• Struja opterećenja: 2,4 A (maksimalno nazivno opterećenje pretvarača).
• Filtar osciloskopa: Propusni opseg ograničen na 20 MHz (Bandwidth Limit).
• Vanjske komponente potrebne za rad čipa SM5308: Mjerenje se provodi s preporučenom prigušnicom (induktorom) od 2,2 μH ili 4,7 μH (niski DC otpor) te s niskim ESR keramičkim izlaznim kondenzatorima ukupnog kapaciteta 22 μF do 44 μF postavljenim tik uz pinove čipa.

Ako je pod ovim uvjetima izmjeren znatno veći ripple od tvorničkog, uzrok gotovo nikada nije sam čip SM5308, već kvaliteta ugrađenog kondenzatora, zavojnice i dizajn vodova same tiskane pločice.

Osnovna frekvencija rada integriranog DC/DC boost konvertera unutar čipa Hichon SM5308 je 500 kHz. Međutim, čip ima tri osnovna moda rada (potvrđeno testovima):

• Mod čekanja s isključenim izlazom: Interni MOSFET-i glavnog oscilatora od 500 kHz su potpuno isključeni. Mali, ultra-štedljivi interni logički sklop asinkrono generira brze pakete ultra-kratkih impulsa niskih amplituda. Oni služe za detekciju promjene kapaciteta i otpora na priključnicama (prepoznavanje ukopčavanja kabela/uređaja).
• Mod čekanja s uključenim izlazom: Pokreće se ručno pritiskom na tipku. Glavni oscilator na 500 kHz više ne miruje, već radi u povremenim burstovima od točno 9 impulsa koji se ciklički ponavljaju svakih 20 ms (50 Hz). Svrha ovih burstova je održavanje stabilnih 5 V na izlaznom kondenzatoru. Ovisno o internoj građi čipa (koja nije prikazana u tvorničkom datasheetu), pad napona se vjerojatno detektira u AC modu, bilo mjerenjem samog maksimalnog praga testnog napona ili mjerenjem vremena koje je potrebno da testni napon padne na minimalnu vrijednost. Mod se automatski gasi nakon 35 sekundi ako struja tereta ne prijeđe prag aktivacije.
• PWM način rada (konstantna frekvencija pod opterećenjem): Kada je priključen stvarni potrošač i struja prijeđe prag pripravnosti, kontrolna petlja čipa prelazi u trajni, stabilni PWM način rada. Frekvencija preklapanja je konstantnih i neprekidnih 500 kHz (period od 2 μs). Ovisno o jačini opterećenja, regulacijski krug mijenja samo vrijeme vođenja glavnog MOSFET-a (Duty Cycle).

Mod čekanja s isključenim izlazom

DC izlaz nije aktivan i čip samo osluškuje da li je na izlaz spojeno trošilo

Način na koji Power Management čipovi prepoznaju priključeno trošilo i automatski pokreću DC/DC boost pretvarač (podizanje napona na 5V) bazira se na detekciji promjene napona (pad napona) na izlaznom pinu (VOUT). Stoga na izlazu iz DC/DC pretvarača mora biti stalno prisutan neki mali napon koji služi za takvu detekciju. Neki čipovi na izlaznom pinu drže stalan napon, a neki periodički šalju naponske impulse. Iz dostupnog kineskog datasheeta za SM5308 ne može se saznati ništa o ovom načinu rada i nije priložena blok shema čipa.

Ovo je snimak izlaza iz DC/DC pretvarača našeg Power Banka sa čipom SM5308 kada nije aktiviran DC/DC pretvarač, nije spojeno trošilo i kada čip samo provjerava ima li opterećenja na izlazu. Jasno se vidi kako se koristi impulsna metoda. Paketi izuzetno kratkih impulsa šalju se u periodama nešto kraćim od 2 ms (500 Hz). Trajanje pojedinačnog paketa je oko 250 µs.

Ovdje sam pokušao uhvatiti jedan brzi impuls iz paketa testnih naponskih impulsa. Vidimo titraj sa maksimalnom amplitudom 10 mV i trajanjem od oko 0,4 µs. Ovo svakako nisu stvarne vrijednosti niti je ovo stvaran oblik impulsa. Impuls koji generira čip SM5308  je vrlo vjerojatno pravokutnog oblika moguće nešto veće amplitude i kraćeg vremena trajanja.

Razlog zašto se ovdje vidi titraj sa rastućom i padajućom amplitudom je taj što moj mjerni set svakako unosi parazitske komponente u ovaj brzi signal i ono što se vidi na osciloskopu je zapravo vremenska konstanta (RC) mojeg mjernog kruga na brzoj impulsnoj frekvenciji izvora.

Ako se izlazni signal promatra u DC modu vidi se konstantna razina napona od cca 2,2 V (na 1 MΩ opterećenja). Ovo odgovara struji od 2,2 µA, što je blizu specifikaciji da je struja mirovanja manja od 10 μA. Međutim, 2,2 V DC napona na izlazu svakako nije razina napona koju bi očekivali od impulsnog (AC) napona reda desetak mV. Moguće da čip koristi kombinaciju DC napona i AC impulsa za detekciju, moguće da su impulsi puno veće amplitude nego to moj mjerni set detektira.

Vrlo je teško osciloskopom uloviti pravilni valni oblik impulsa reda ns unutar vremenskog prozora (baze) reda ms, pa još sa ovako niskim naponskim razinama. To predstavlja ogroman tehnički izazov kako za analogni tako i digitalni tip osciloskopa. Moraju se koristiti specijalne mjerne sonde i općenito skupa mjerna oprema. Međutim, i iz ovoga što vidimo jasno je da SM5308 i u modu dubokog mirovanja na izlazu iz DC/DC konvertera stalno održava neki testni napon.

Radi maksimalne uštede energije u tom modu, SM5308 generira vrlo kratke i amplitudno slabe testne impulse ili radi kao vrlo slab strujni izvor, reda nekoliko µA. Taj testni napon se mjeri (prati) unutar čipa vjerojatno nekim malim internim kapacitetom i komparatorom. Kada se priključi trošilo, unutarnji otpor trošila trenutno povuče taj slabi napon prema masi (GND). To isprazni unutrašnji kapacitet čipa, na ulazu u komparator dolazi do značajnog poremećaja odnosa napona, izlaz iz komparatora mijenja stanje i pokreće krug za buđenje punjača.

Mod čekanja s uključenim izlazom

Ručna aktivacija DC izlaza bez priključenog trošila

Ukoliko se ručno aktivira DC/DC pretvarač, on na svojem izlazu daje 5 V napajanja. S obzirom na to da nema trošila, čip ne smije raditi u kontinuiranom PWM (Pulse Width Modulation) načinu rada jer bi tako bespotrebno trošio energiju baterije i grijao se.

Svakih 20 ms (50 Hz), čip se nakratko “probudi” kako bi nadopunio svoj izlazni kondenzator na određenu naponsku razinu i provjerio je li spojeno trošilo (slično kao i prethodnom modu rada). Signal stoga izgleda kao pilasti napon, gdje nagli vertikalni porast napona predstavlja vrijeme u kojem se kondenzator puni iz DC/DC konvertera, a nakon toga slijedi gašenje konvertera i polagani pad napona na internom kondenzatoru.

Ako pogledamo periodu u kojoj napon raste, primjećuje se stepeničasto podizanje napona u 9 razina. Ovaj rast traje oko 18 µs i proteže se u rasponu od cca -50 mV do +50 mV. Nakon toga slijedi polagani gotovo linearni pad napona ponovno na -50 mV i proces se ponavlja.

Tih 9 koraka porasta napona predstavlja točno 9 pojedinačnih preklopnih ciklusa (pulseva) visokofrekventnog DC/DC pretvarača koji radi na 500 kHz. Kada se čip aktivira, unutarnji MOSFET odradi 9 brzih uključenja/isključenja. Svakim korakom (pulsom), zavojnica (induktor) prebacuje mali, fiksni paket energije iz baterije u izlazni kondenzator. Zato napon na kondenzatoru raste u diskretnim “stepenicama”. Vidimo da je razmak između naponskih koraka 2 µs (500 kHz), što je siguran dokaz da u ovom modu testni napon ne osigurava pomoćni štedljivi izvor kao u prethodnom modu, nego sam glavni DC/DC pretvarač.

Raspon od -50 mV do +50 mV (ukupno 100 mV peak-to-peak) definiran je unutarnjim komparatorom (tzv. histereza). Čip namjerno napuni svoj kondenzator malo “iznad” ciljanog napona kako bi kompenzirao naknadni pad. Ako nema priključenog trošila koje bi ispraznilo kondenzator i ograničilo napon na njemu, napon će dostići maksimalni iznos od +50 mV što je znak da trošila nema i da se ciklus ponavlja za slijedećih 20 ms. Tako MOSFET-i unutar čipa ne moraju konstantno raditi punom brzinom od 500 kHz, nego u vrlo kratkim periodama (9 ciklusa) svakih 20 ms.

Kad interni brojač izbroji određeni broj ovakvih „praznih“ provjera, zaključuje da se odustalo od spajanja trošila i vraća izlaz u prethodni mod niske potrošnje bez izlaznog napona. To se događa nakon 35 sekundi provjera (1750 ciklusa provjera), a LED displej ostane aktivan još 10 sekundi duže.

Ako se u bilo kojem trenutku te faze spoji trošilo, ono će povući određenu struju i izmjenična komponenta napona će naglo pasti prema nuli. Čip će registrirati taj preuranjeni i nagli pad, prekinuti provjeru i brojač, te odmah preći iz Burst (isprekidanog) u kontinuirani PWM način rada kako bi održao stabilnih 5V pod opterećenjem. S obzirom da nemam internu blok shemu čipa, ovdje se ne može znati točan princip detekcije. Možda se detektira sam pad napona na kondenzatoru, a možda i skraćeno vrijeme pražnjenja kondenzatora nakon (djelomičnog) punjenja.

Ovi AC testni signali (pilasti oblik) kao i naponski titraji zbog rada MOSFET-a svakako se vide pribrojeni i na DC signalu 5 V.

Proces radi i u obrnutom smjeru za uštedu energije. Kada je trošilo spojeno, čip konstantno prati struju kroz ugrađeni senzor struje (sense MOSFET ili otpornik). Kod čipova iz serije SM5307/SM5308, ako izlazna struja padne ispod 45 mA i ostane takva dulje od 32 sekunde, čip zaključuje da je trošilo isključeno sa izlaza (ili je baterija napunjenja). Sustav se tada ponovno automatski prebacuje u stanje niske potrošnje i praćenja otpora trošila.

PWM način rada

Rad DC/DC pretvarača pod niskim opterećenjem (330 mA)

U prvom testu na izlaz DC pretvarača spojio sam radni otpornik od 15 Ω (330 mA). Ripple je oko 70 mV (mjereno poštujući tvorničke specifikacije).

Ovako izgleda VF izmjenična komponenta sadržana u DC naponu pod niskim opterećenjem. Vrlo lijepo se uočavaju parovi impulsa na radnoj frekvenciji 500 kHz (2 µs). Ti parovi impulsa su zapravo trenuci prekapčanja dvaju unutarnjih MOSFET tranzistora, a vremenski razmak između njih je vrijeme vođenja glavnog tranzistora (Duty Cycle).

SM5308 je sinkroni boost konverter. To znači da ima dva unutarnja MOSFET-a: jedan donji (glavni prekidač prema masi) i jedan gornji (sinkroni ispravljač prema izlazu).

• Prvi impuls: Označava trenutak kada se donji MOSFET uključuje kako bi prigušnica (induktor) počela nakupljati magnetsku energiju iz baterije.
• Drugi impuls: Označava trenutak kada se donji MOSFET isključuje, a gornji uključuje, kako bi se ta nakupljena energija iz prigušnice “izbacila” prema izlaznom kondenzatoru i priključenom teretu.

Budući da su ti prijelazi ekstremno brzi (traju svega nekoliko nanosekundi), parazitski induktiviteti uzrokuju kratkotrajne naponske oscilacije (ringing) koje se vide na osciloskopu.

Vremenski razmak između ta dva impulsa je dakle vrijeme uključenosti donjeg MOSFET-a i to vrijeme se mijenja ovisno o veličini opterećenja na izlazu. U ovom primjeru opterećenje je malo (330 mA) i razmak između impulsa je 350 ns (Duty Cycle = 350/2000 = 0,175 ns ili 17,5%).

Rad DC/DC pretvarača pod visokim opterećenjem (2 A)

Signali su po obliku isti kao i kod opterećenja 330 mA, međutim, ripple ovdje doseže maksimalno dozvoljenih 100 mV. Za veće opterećenje je potreban veći Duty Cycle rada MOSFET-a  te je ovdje razmak između impulsa 500 ns (Duty Cycle = 500/2000 = 0,25 ns ili 25%).

Ovdje sam povećao impedanciju ulaza u osciloskop kako bi se malo prigušilo titranje (zvonjenje) signala i bolje izmjerili vremenski odnosi. Sada se puno bolje vidi razmak od 350 ns za malo opterećenje i razmak od 500 ns za veliko opterećenje.

Ova mjerenja su pokazala ripple napone ispod 100 mV, međutim, nemoguće je izvršiti potpuno izolirano i kompenzirano mjerenje u DIY uvjetima pod punim radnim opterećenjem DC/DC pretvarača. Moguće da su moje mjerne sonde malo povećale VF šum, a isto tako je moguće i da su ga malo prigušile. Sam VF šum iz DC/DC pretvarača u konačnici i nije toliko nerješiv problem jer se već ugradnjom jednostavnih feritnih prstena ili namjenskih Pi-filtara (LC filtar drugog reda) može posve prigušiti VF komponenta u DC signalu.

Htio sam zapravo vidjeti što od tvorničkih specifikacija mogu potvrditi sa svojom mjernom opremom i što mogu otkriti ili saznati vezano uz rad ovih kineskih Power Management čipova. Tko se bavi praktičnom elektronikom, danas više ne može izbjeći (kineske) DC/DC pretvarače. Kao što smo vidjeli na primjeru ova dva čipa, u SOP-8 pa i manjim kućištima dolaze već čitava mala računala specijalno dizajnirana za upravljanje punjivim baterijama u svim segmentima, od kontroliranog punjenja i pražnjenja, preko „oživljavanja“ duboko ispražnjenih baterija, do kompletne naponske, strujne i termičke zaštite, te vizualne indikacije stanja baterije. Sve za cijenu koja se računa u centima.

To su svakako visoko integrirani čipovi koji mogu i otkazati, međutim, iste ili čak veće šanse za otkaz imate i ako jedan ovakav sklop sastavite iz diskretnih komponenti. Zbog niske cijene čipova, uvijek možete ugraditi dva ili više stupnjeva zaštite ili paralelno spojiti više čipova za manje opterećenje i sigurniji rad.

Moj CrowPanel može povući najviše 1000 mA struje, što raspoređeno na 10 baterijskih članaka iznosi 100 mA po bateriji. To je neznatno opterećenje kako za bateriju, tako i za kontakte, i u konačnici za čipove koji su deklarirani za struje preko 2 A.

CrowPanel ima vlastiti Power Management hardver za Li-Ion/Li-Po baterije, međutim, maksimalna struja punjenja je ograničena na nekoliko stotina mV. Stoga ću mu dovesti napajanje izravno sa baterija, dok ću za punjenje koristiti punjač od 2 A na samom Power Banku.

Da bi to funkcioniralo, plus pol baterija vodim na Crow Panel preko idealne diode da spriječim miješanje napona iz punjača CrowPanela i punjača Power Banka, a minus pol uzimam prije čipa XB7608, kako bi ova zaštita ostala funkcionalna. Funkcija DC/DC boosta na 5 V može ostati aktivna za slučaj da na terenu (strelištu) nekome zatreba hitna dopuna mobitela ili slično.

Ovo je mali sklop koji sadrži idealnu diodu koja sprječava miješanje napona iz dva različita izvora, te otpornički djelitelj napona za ADC ulaz CrowPanela i prikaz stanja baterije na displeju. 

Problem električnih ograničenja osciloskopa

Ja sam ovdje opisana mjerenja radio sa osciloskopom frekvencijske propusnosti 100 MHz i sa brzinom uzorkovanja od 2 GS/s (dva uzorka svaku nanosekundu). Međutim, za ovakve signale je potreban osciloskop od barem 1 GHz propusnosti i uzorkovanjem 5 GS/s. Od početka sam bio svjestan ograničenja svojeg osciloskopa, zato sam i sva mjerenja uzeo velikom „rezervom“.

Frekvencijska propusnost osciloskopa izravno ograničava najbrže vrijeme porasta koje uređaj uopće može izmjeriti. Veza se računa po pravilu: T =  0,35 / propusnost. Moj 100 MHz osciloskop dakle ima vlastito vrijeme porasta od oko 3,5 ns. Ako impuls kojeg treba izmjeriti ima vrijeme porasta brže od ovoga, ovaj osciloskop ga fizički ne može pratiti. Prikazat će ga usporeno, s lažnim vremenom porasta od oko 3,6 ns. 1 GHz osciloskop ima vlastito vrijeme porasta od samo 0,35 ns (350 ps). On bez problema točno prikazuje impulse s vremenom porasta od primjerice 1 ns.

Što se tiče izobličenja oblika digitalnog impulsa, znamo da se digitalni pravokutni impuls sastoji se od osnovne frekvencije i niza neparnih harmonika (viših frekvencija). Da bi impuls izgledao “kvadratno”, osciloskop mora propustiti barem do 5. harmonika signala. 100 MHz osciloskop zbog niskog limita “odsijeca” više harmonike, odnosno filtrira osnovni signal. Oštri kvadratni impuls trajanja nekoliko nanosekundi pretvorit će se u zaobljeni signal koji više sliči na sinusoidu nego na digitalni impuls. S druge strane, 1 GHz osciloskop može propustiti vrlo visoke harmonike. Na ekranu ćete vidjeti stvarne, oštre rubove impulsa, kao i popratne pojave poput titranja (ringing) ili prebačaja (overshoot) ako oni postoje u krugu.

Što se tiče amplitudne točnosti (smanjenja amplitude), na frekvenciji koja je jednaka deklariranoj propusnosti osciloskopa, uneseni signal je već oslabljen za -3 dB (što znači da mu je prikazana amplituda pala na 70,7% stvarne vrijednosti). Ako kroz osciloskop od 100 MHz propustite kratak impuls čije frekvencijske komponente dosežu 100 MHz, njegova prikazana visina (napon) na ekranu bit će značajno manja od stvarne. Može se dogoditi da impuls uopće ne dosegne logičku jedinicu na ekranu, iako u stvarnosti doseže. 1 GHz osciloskop pak pruža ravnu frekvencijsku karakteristiku duboko u područje stotina megaherca. Kratki nanosekundni impulsi zadržat će svoju punu i točnu amplitudu.

Osciloskop od 1 GHz u pravilu dolazi s mnogo bržim analogno-digitalnim pretvaračem (ADC) nego model od 100 MHz. Moj osciloskop od 100 MHz uzorkuje brzinom od 2 GS/s (dva uzorka svaku nanosekundu). To znači da za impuls od 1 ns ima uhvaćene samo 2 točke na ekranu što je premalo za rekonstrukciju i prikaz stvarnog valnog oblika. Model od 1 GHz uzorkuje brzinom od 5 GS/s ili više (uzorak svaka 0,2 ns). Isti impuls od 1 ns bit će opisan s 5 ili više točaka, što daje puno detaljniji prikaz.

Problem električnih ograničenja mjerne sonde

Ograničenja samog osciloskopa svakako utječu na prikaz signala, međutim, mjerne sonde su jednako tako kritičan i često najslabiji dio mjernog lanca. Kada mjerite brze impulse trajanja reda nanosekunde (i niske amplitude), sonda prestaje biti “samo komad žice” i postaje složena električna mreža koja drastično utječe na signal.

Pri visokim frekvencijama (brzi prijelazi rubova impulsa), ključni neprijatelji su kapacitet sonde i induktivitet uzemljenja. Kapacitet sonde zajedno s impedancijom izvora signala stvara niskopropusni filtar. Što je kapacitet veći, to će rubovi impulsa biti zaobljeniji, a amplituda kratkih impulsa manja. Dugačka žica za uzemljenje (tzv. “ground alligator clip”) ima svoj induktivitet. U kombinaciji s kapacitetom sonde, ona stvara rezonantni krug. To uzrokuje lažno titranje (ringing) i prebačaj (overshoot) na ekranu, pa ne znate titra li vaš sklop ili sama sonda.

Sonda crpi struju iz sklopa na kojem se vrši mjerenje kako bi napunila svoj kapacitet. Kod brzih signala niske amplitude, standardna sonda može toliko opteretiti sklop da on potpuno prestane raditi ili promijeni način rada dok mjerite.

Za mjerenje brzih impulsa niske amplitude, standardne pasivne sonde su neupotrebljive jer imaju visoki vlastiti kapacitet (tipično 10 pF do 15 pF) i veliki pad impedancije na visokim frekvencijama (sa 1 MΩ otpor lako padne na nekoliko stotina oma) što jako opterećuje izvor i guši signal. Propusnost takvih sondi je ograničena tipično do 100 MHz ili 200 MHz, u najboljem (najskupljem) slučaju do 350 MHz ili 500 MHz.

Za mjerenje brzih digitalnih signala na izbor su dva rješenja: Pasivne sonde s niskim kapacitetom (Z0 / Transmission Line Probes) ili Aktivne FET sonde (Active Probes). Obje imaju neke svoje prednosti i nedostatke.

Pasivne sonde s niskim kapacitetom imaju izrazito nizak kapacitet (oko 0,2 pF) i propusnost od nekoliko GHz. Izvrsne su za brze impulse jer gotovo uopće ne zaobljuju rubove. Međutim, ove sonde imaju nisku impedanciju od 500 Ω ili 5 kΩ i predviđene su za spajanje na 50 Ω ulaz osciloskopa. Budući da rade kao djelitelj napona (10:1 ili 20:1), one dodatno smanjuju ionako nisku amplitudu mjerenog signala, što znači da šum osciloskopa može posve maskirati signal. Ove sonde dakle ne utječu na valni oblik ali utječu na amplitudu mjerenog signala (mogu ga značajno prigušiti).

Aktivne FET sonde u samom vrhu (ispitnom kontaktu) imaju ugrađeno aktivno pojačalo s tranzistorom s efektom polja (FET). Zbog toga imaju vrlo visok ulazni otpor i vrlo nizak kapacitet (< 1 pF) uz propusnost preko 1 GHz. One minimalno opterećuju sklop i vjerno prenose impulse niske amplitude bez slabljenja signala prije pojačala. Međutim, problem je ograničen dinamički raspon (mogu mjeriti npr. samo do ±8 V) i unose malu količinu vlastitog šuma, što zahtijeva napredne funkcije filtriranja na osciloskopu.

Koliko to košta?

Cjenovni rasponi između ove dvije konfiguracije drastično se razlikuju. Prijelaz sa 100 MHz na 1 GHz (zajedno s aktivnom sondom) ne predstavlja samo korak naprijed u performansama, već prelazak iz hobi/ulazne profesionalne kategorije u visoku industrijsku/laboratorijsku klasu.

Moderni DPO osciloskop 100 MHz s običnom (pasivnom) sondom možete nabaviti po cijeni 350-700 eura za neku ekonomičnu klasu ili 1.000-2.000 eura za neku višu klasu. Moj osciloskop Siglent SDS2104X Plus (4Ch, 100MHz, 2GSa/s) sa kojim sam vršio mjerenje košta oko 1200 eura.

Moderni DPO osciloskop 1 GHz će vas koštati 3.500-6.000 eura za povoljnije modele, pa do negdje 8.000-18.000 eura za bolju klasu. Ako želite i aktivnu FET sondu (1 GHz do 1,5 GHz) cijena se kreće u rasponu 800 – 4.500 eura po komadu.

To naravno nije cjenovni limit za osciloskope. Trenutno najnapredniji, najbrži i najskuplji real-time digitalni osciloskop na svijetu koji se može slobodno naručiti i kupiti je Keysight Infiniium UXR-serija, konkretno model UXR1104A (4Ch, 110 GHz, 256 GS/s). Osnovni modeli UXR serije kreću se od oko 150.000 dolara, dok maksimalno opremljeni model od 110 GHz s pripadajućim softverskim paketima i mikrovalnim sondama lako premašuje 1.300.000 dolara. Općenito gledano, svaki poznatiji proizvođač osciloskopa danas nudi svoje najbolje modele koji koštaju nekoliko desetaka do nekoliko stotina tisuća eura.

Da li bi meni dobro došao, odnosno da li meni uopće potreban jedan osciloskop od milijun eura za moja hobi mjerenja i edukaciju? Odgovor je DA, potreban mi je i dobro bi mi došao jedan takav osciloskop za hobi mjerenja i edukaciju.

Magično pitanje svakog elektroničara početnika: Koji osciloskop je najbolji za kupnju?

Raspon cijena osciloskopa je kao što smo vidjeli ogroman. Naravno da bi se svatko volio u svojoj hobi radionici zabavljati sa što naprednijim mjernim setom, no rijetki si nešto takvo mogu priuštiti. Pa koji je osciloskop onda „dovoljan za većinu mjerenja“, što da si kupim za bavljenje elektronikom. Na to pitanje je samo jedan odgovor ispravan: što bolji osciloskop, to bolje praktične, edukativne i eksperimentalne mogućnosti mjerenja. Nema gornjeg limita. Zašto?

Prvo, ovdje treba uzeti u obzir trend razvoja elektronike. Prije 50 godina vam je za hobi elektroniku bio dovoljan „hobi“ osciloskop i sa njim ste mogli mjeriti praktično sve što ste izrađivali ili popravljali. Danas, ako pratite trendove i bavite se modernom elektronikom, niti jedan mjerni set neće vam biti previše (overkill). Granica između hobi elektronike i vrhunskog inženjerstva potpuno se izbrisala, ponajviše zbog dramatičnog skoka u brzini jeftinih komponenti.

Danas hobist za nekoliko eura može kupiti mikrokontroler koji radi na stotinama megaherca, a komponente s rubovima signala reda nanosekunde nalaze se posvuda. Čak i ako neki sklop radi na sporom taktu od samo 1 MHz, moderni integrirani krugovi (poput brzih CMOS logičkih vrata ili GaN/SiC tranzistora) mijenjaju stanja (0 u 1) u manje od 2 ns. Ti ekstremno brzi prijelazi stvaraju visokofrekventni šum i visokofrekventne harmonike (reda stotina MHz) koji uzrokuju probleme s integritetom signala (SI) i elektromagnetnom kompatibilnošću (EMC). 100 MHz osciloskop će taj šum potpuno sakriti ili krivo prikazati, a vama neće biti jasno zašto se sklop ponaša nestabilno i misteriozno se resetira.

Moderni hobi projekti više se ne vrte samo oko sporog I²C ili UART protokola. Danas hobisti u kućnoj radionici redovito koriste Brzi SPI / QSPI (koji lako dostiže 50-100 MHz za zaslone visoke rezolucije), USB 2.0 High-Speed (480 Mbps), MIPI CSI (za kamere na Raspberry Pi i CrowPanel platformama), SDR (Software Defined Radio) i bežične module (Wi-Fi, BLE, LoRa na frekvencijama od 400 MHz do nekoliko GHz). Za analizu i dekodiranje ovih signala, oprema od 1 GHz i brze sonde nisu luksuz, već nužan alat za uvid u stvarno stanje na tiskanoj pločici.

Kada radite s opremom koja nema dovoljnu propusnost, vi ste zapravo “slijepi” na najopasnije probleme. Na primjer, na brzim linijama, signal s jedne staze može inducirati kratki impuls (glitch) trajanja 1 ns na susjednoj stazi. Taj glitch može resetirati procesor. Na 100 MHz osciloskopu nećete vidjeti ništa, linija će izgledati savršeno ravno i čisto, dok će vas 1 GHz osciloskop odmah odvesti do problema.

Investicija u znanje

Proučavanje modernih sklopova s vrhunskom opremom pruža neprocjenjivu edukativnu vrijednost. Vidjeti kako stvarna fizika (kapacitet, induktivitet, refleksije na vodovima) utječe na digitalni signal mijenja način na koji hobist shvaća i dizajnira svoje projekte. Najgore je povoditi se tezom: ono što ne vidim, znači da to ne postoji. Na neadekvatnoj opremi puno toga se ne vidi ili se prikazuje posve pogrešno. Davno su prošla vremena kada ste analognim DMM-om i analognim osciloskopom na 20 MHz mogli mjeriti i promatrati električne veličine na većini električnih i elektroničkih uređaja. Ja u svojim hobi eksperimentima, projektima i edukaciji svaki dan nailazim na ograničenja svoje mjerne opreme zbog kojih ne mogu proučavati neke signale, pojave i procese modernih elektroničkih uređaja i komponenti.

Neki hobisti su ostali zarobljeni u vremenu do 1980-tih godina (nemaju volje ili želje za usvajanjem novih tehnologija), te se bave isključivo elektronikom toga doba i koriste mjerne uređaje iz toga doba. To je posve legitimno, no vrlo je opasno kad takvi hobisti pokušavaju tumačiti modernu elektroniku i modernu mjernu opremu, iako nemaju apsolutno nikakvog iskustva na tom području. Još je gore relativizirati stvari bez stvarnog iskustva te se u nedostatku volje držati uzrečice: ono od prije je sve super, ovo moderno ništa ne valja.

Vrlo je opasno kada se vrše mjerenja neadekvatnom mjernom opremom i nedefiniranom mjernom procedurom, pa još nesvjesni tolerancija, kalibracije i ograničenja vlastite mjerne opreme. Takva će mjerenja uvijek nešto izmjeriti i pokazati, a mi naravno slijepo vjerujemo svojoj „neuništivoj, vječnoj i nikad više tako kvalitetnoj“ mjernoj opremi. Pogrešna mjerenja vode u pogrešne zaključke, a pogrešni zaključci nikako ne mogu dovesti do ispravnih rješenja. Često po forumima nalazim komentare “starih električara i elektroničara” koji su izvukli svoj Unimer 1 iz 1980. godine, gurnuli mjerne žice u utičnicu, gdje je kazaljka odmah skočila na oko 230 V. To je bilo dovoljno za generalni zaključak kako je “dobar stari Iskrin instrument i dalje vrhunski precizan nakon 40 godina i kako se svi današnji multimetri mogu sakriti pred ovom neuništivom Iskrom”.

Ako si možete priuštiti opremu do 100 MHz, istražujte, razvijajte i proučavajte projekte do 50 ili 70 MHz. Ako želite snimati moderne sklopove na puno višim frekvencijama, budite svjesni ograničenja svoje opreme i rezultate ne uzimajte „zdravo za gotovo“.