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ダイソーの300円モバイルバッテリー(特性測定)

 ダイソーの300円モバイルバッテリー(2017春モデル)の話の最終回。今回は実際に動いている状態の波形などを見て行きます。先人の方々の調査で出力がパルス状に落ちるという話がとても気になるので、そのあたりを重点的に見て行きたいと思います。前回の記事はこちら。

 なお、参考にさせて頂いたのは下記のサイトです。ありがとうございました。
3代目・ダイソー300円モバイルバッテリーがデンジャラス仕様に  こばさんの wakwak 山歩き
ダイソーのモバイルバッテリーを分解!   進め!GK隊!!さん

 出力が時々落ちるという話はすごく気になるのですが、その前にモバイルバッテリーの基本性能である充放電能力について調べておきます。

▼充電特性
 外部から充電する時に流れる電流の最大値は0.77Aでした。充電が完了に近づくとともにこの電流は小さくなりました。データーシートで充電電流は0.8Aとなっているのは最大電流のことだと思われます。
 高負荷で連続放電させた直後に充電すると、充電電流が0.5A程度に抑えられる現象がありました。チップの温度を監視して電流を抑える機能が働いたのかも知れません。

▼放電特性(出力特性)
 出力電圧5Vを維持できる最大電流は0.8Aでした。これもデーターシート通りです。これ以上電流が多くなると電圧が下がりますが、1A流すと出力電圧は約4.2Vまで低下しました。

 ここからが注目の出力電圧の変化の様子です。

▼測定用負荷
軽負荷特性測定
 ごく軽い負荷をかけた場合の挙動を調べるために、10kΩの可変抵抗 + 50Ωの抵抗を負荷として用意しました。(50Ωは可変抵抗の保護用に入れたもので、実際には100//100Ωです)。これで負荷電流を 0.5mAから100mAまで変えることが出来ます。

 このモバイルバッテリーが無負荷の状態では、出力(入力)端子には電池の電圧が出ていました。たぶん高抵抗を介して電圧が出ているのだと思います。この電圧の変化を検出して内部回路を起動させているのでしょう。

 負荷電流をわずかに流すと、DCDCコンバーターが起動して出力電圧が5Vまで上昇して出力モードに入るようです。但し、負荷電流が60mA以下の領域では数秒置きに出力が遮断されましたが、これが先人の方が記事にされていた現象だと思います。その様子は以下の通りです。

▼出力遮断の様子(負荷電流 1mA)
自動OFF波形-1
 これは負荷電流が約1mAの場合です。0.5秒間も出力が遮断されています。画面左の黄色の矢印がGNDレベルで、縦軸は1V/Divです。勝手にこんなに長い時間(と言っても0.5秒ですが)電源が落ちると困ります。約10秒間隔でこの現象が繰り返されます。

▼出力遮断の様子(負荷電流 46mA)
自動OFF波形-2
 負荷電流46mAの場合の出力波形です。遮断時間は約30msになっています。負荷電流が増えると遮断時間が短くなるようです。

 ともかく、こういう電源の遮断があると、マイコンなどではパワーオンリセットが掛かって、うまく動かない可能性があります。電源に大容量のパスコンを入れておく手がありますが、こういうおかしな挙動の電源のためにそこまでしてやる必要は無いでしょう。

▼出力波形(負荷電流 = 82mA)
定常時 デイップ
 82mAでは出力の遮断現象は出なくなりました。データーシートに「自动关机负载电流 (Iauto_off) 60mA 」という項目があるので、60mA以上流せば電源の遮断は発生しなくなるのだと思います。

 但し、出力の遮断現象は発生しなくなりますが、この写真の波形のように、出力電圧に小さなディップが発生します。ディップの時間は約4ms、周期は約2秒、ディップ時の電圧は約4.7Vでした。これくらいの電圧ディップは普通はあまり問題にはならないと思いますが、オーディオアンプなどのアナログ回路ではノイズの発生原因になるかも知れません。

 この電圧ディップは相手から逆に充電されていないか検出するために行っているそうです。電圧を変化させて電流の変化を測定、つまりダイナミックインピーダンス測定のようなことをやっているのではないかと思います。一つのコネクタで充放電を兼用するためには、いろいろな仕掛けが必要になるということですね。

▼DCDCコンバーターの波形
昇圧波形(コイル出力側)
 負荷電流を約100mA流した時のDCDCコンバーターの波形です(コイルの出力側波形)。パルス周波数は約900kHzでPWM制御になっています。なお軽い負荷の領域ではバーストパルス駆動に変わって変換ロスを減らしていました。

◆ここで一旦まとめます
 負荷電流が少ない(60mA以下)場合、出力電圧が周期的にゼロになるので注意が必要です。

 これより大きな電流を流した場合でも、5Vの出力電圧が2秒周期で短時間(約4ms) 4.7Vまで下がるので注意が必要です。

 このように、このモバイルバッテリーの出力は一定電圧では無いので、そのあたりを注意して使わないといけません。とは言っても一般の人はスマホなどの充電用として使うだけでしょうから、まず問題が起こることは無いと思います。一番問題が起きそうなのは、電子工作好きの人が手軽な5V電源として使う場合です。こういう現象があることを知らないで使うと、思わぬ動作不良が発生して、原因の特定に苦労するかも知れません。

 あと、照明用のLEDを接続した時に、一瞬光ってすぐに消灯することがありました。バッテリーは半分くらい残っていたので容量不足ではありません。たぶん起動を失敗していたのだと思いますが、どういう条件で起動失敗するかは判りません。負荷と並列の静電容量の値やVI特性の関係で、失敗し易い条件があるのかも知れません。

◆以下は番外編です

▼二個並列にしてみた
パラレル
 両者の間をコネクタを接続しました。両方が電源として立ち上がって喧嘩が始まるかと思ったのですが、何も起こりませんでした。

▼両方出力モードで運転
両者が出力モード
 両者を並列に接続した状態で、残りのコネクタにUSB挿入タイプのLEDライト(写真に写っている物)を挿して強制的に起動させると、両方のモバイルバッテリーが出力モードになりました。つまり両者が助け合ってLEDを光らせていました。

 LEDが光っている状態では明るすぎて写真が撮れないので、LEDを抜いたのが上の写真です。無負荷なのですが、両方のモバイルバッテリーのLEDが青く光ったままで、両方が出力モードになっています。これ、お互いを負荷と思っているのでしょうか?

▼片方が充電モード
片方が充電される
 片方がフル充電、片方が半充電の状態で同じことをやってみました。すると、フル充電のモバイルバッテリーが半充電の方を充電し始めました。つまり、元気な方が弱っている者を助けていることになり、なかなか美しい光景です。ちなみにこの写真の赤色LEDが点灯している方が充電されているモバイルバッテリーです。

ダイソーの300円モバイルバッテリー(推定回路図)

 ダイソーの300円モバイルチャージャーの調査。前回は充放電容量を調べましたが、今回は分解して内部を調べます。なお、このチャージャーにはいろいろなバージョンがあるようで、今後も新しい物が登場する可能性があります。ということで、識別のために今回記事で取り上げる物は、2017春モデルと呼ぶことにします。

▼分解
20170614IMG_0662.jpg
 上蓋がツメで止まっているだけなので、薄いマイナスドライバーなどを差し込んで簡単に分解出来ます。基板もホットボンドで固定されているだけなので、この写真のように簡単に三枚おろしに出来ます。電池は18650のリチウム電池で2000mAh 3.7Vという表示があります。

 ところで、このケースは光沢があってすべすべとした手触りで高級感があります。それに表面の硬度が高くて傷が付きにくそうです。たぶんUV塗装しているのだと思いますが、安いのにこういう上質な表面処理を行っているのは大したものです。ちなみに、昔の中華な製品はよくプロテイン塗装されていて、時間が経つと加水分解でベタベタになったものですが、あういうダメ仕様がこういうふうに進化しているなら大歓迎です。

▼基板(マイクロUSB側)
ダイソー300円モバイルチャージャー基板
 部品はICが一つ、インダクタが一つとセラコンが2個だけです。部品が載っていないフットプリントがいっぱいありますが、古いバージョンの基板を流用したのでしょうか。

▼基板(USB-A側)
ダイソー300円モバイルチャージャーUSB-A
 こちら側の部品はLEDが2個だけです。

 つまり電気部品は IC一つに、コイル一つコンデンサ2つ、LED2つだけというシンプルさです。もちろんこれ以外にコネクタや基板があります。

 ICはHOTCHIPという会社のHT4928Sというチップが使われています。検索するとHT4928SのデーターシートのPDFが出てきますが、残念なことに中国語のものだけしか発見出来ませんでした。

 このデーターシートに書かれている回路図は以下のようになっています。

▼ブロック図
HT4928S
 コネクタのマイクロUSBが入力、USB-Aが出力ということになっていますが、驚いたことに内部では単にパラに接続されています。つまり同じピンが入力にも出力にもなるということです。なお、ダイソーの2017春バージョンの300円モバイルバッテリーの回路はまさにこのブロック図の通りの回路になっていました。

 この回路の見た目は昇圧のDCDCコンバーターですが、充電回路がどうなっているかはこのブロック図からは判りません。そこで、動作中の各部波形を見てチップの内部を推定したのが次の回路図です。

▼推定回路図
ダイソー300円モバイルチャージャー回路図
 制御系の細かい部分までは判りませんが、充放電の主回路の部分を書いてみました。 

 Q1とQ2が昇圧のDCDCコンバーター用スイッチです。データーシートに「升压使用同步整流电路」と書いてあるのでQ2で同期整流をやっているはずです。

 電池の充電はPWMで行っていると思ったのですが、充電中の波形を見ると予想と違って直流でした。ということは、単なるシリーズレギュレーター方式で充電しているようです。そのための回路はいろいろ考えられますが、上の図のようにQ3を追加してこれで充電電流を調節するのが一番自然な気がします。

 話を整理すると、放電中はQ3はONにして普通の同期整流方式のDCDCコンバーターとして動作させます。充電中はQ1はOFF,Q2はON固定で、Q3を使ったシリーズレギュレーター方式で電流調整という動作だと思います。FETにはボディーダイオードがあるので、充電中のQ2はOFFでもいけると思います。

 なお、充電回路の実現方法は他にも考えられるので、上の回路図通りではない可能性があります。でも、ともかく制御をうまくやれば同じピンで充放電を行うことは可能だと思います。

 ところで、充電回路がシリーズレギュレーター方式になっているということは効率があまり良くないということです。(大雑把には3.7V / 5V = 74% )。一方で、昇圧は同期整流になっているのでこちらの効率は比較的高いはずです。前の記事では両者の効率が同じと仮定して電池容量の推定を行ったのですが、その計算は見直す必要があります。

◆まとめ
 だいぶこのバッテリーチャージャーの回路が理解できてきました。次回の記事では波形を見て実際の動作状態を確認していきたいと思います。

◆よもやま話
 ところで、このICのメーカーはHOTCHIPですが、これすごく気になる名前です。というのはHot Chips というのは先端半導体が発表される世界的な大会議の名前で、ここは intel や AMDといった巨大企業の先端技術が発表される場です。日本人の感覚ではとても畏れ多いし、名前倒れと言われるのが目に見えているので、これを会社の名前にすることは無い気がします。

 これ(とほとんど同じ名前)を会社名にしちゃうのだから大したものです。まあホットというとは辛いという意味もあるので、一味違うチップという意味でHOTCHIPという会社名にしたのかも知れません。そういう元気な会社だから入出力ピンが同じという大胆な仕様のバッテリーチャージャーチップを設計・販売出来るのかも知れません。

 もし日本で同じ設計を提案したら、周囲から危ないだろ!などとボコボコに反対されてたぶん製品になることは無い気がします。そんなこと考えると、こういうチップを採用したダイソーという会社は、只者ではない気がしてきました。

ダイソーの300円モバイルバッテリー(充放電容量)

 ダイソーに行ったら300円モバイルバッテリーが出ていたので、即買いしました。同じような物が去年の10月頃にも販売されていたらしいのですが、その時は出遅れてしまって買うことが出来ませんでした。ちなみに去年出た物は、ファンシーなキャラクターのイラストがプリントされていたようですが、今回売られていた物はイラストなどの印刷は全く無しです。

▼300円モバイルバッテリー
ダイソーの300円モバイルバッテリー
 白と黒があったのですが、白を買いました。写真のようにUSB-A/マイクロUSBの短いケーブル付きです。表示されている仕様は入出力共5V/1000mAとなっていて、2000mAhと書いてあるのはバッテリーの容量のことでしょうか。

▼ミニオシロの電源にちょうど良さそう
ミニオシロの電源にちょうどいい
 ダイソーで見た時にすぐに浮かんだのがこの使い方、ミニオシロの電源として使うとサイズ的にもぴったりです。このモバイルバッテリーにaitendo で買った9V USB昇圧ケーブルを挿してミニオシロに電源を供給しています。

 ここで気になるのがバッテリー容量です。ということでUSBバッテリーチェッカーを使って容量を測定してみました。

▼放電容量測定
放電中
 自作の電子負荷を接続して放電容量を測定しました。なお負荷は10Ωの低抗相当の条件で行いました。つまり出力電圧は5Vなので電流は0.5Aということになります。

 放電が終わるとモバイルバッテリーは自動遮断しますが、USB充電チェッカーには放電量が記録されています。何らかの電源を使ってチェッカーに通電すれば記録が表示されるので放電容量が判ります。

▼放電容量
USB容量チェッカー
 放電した電力量は4951mWhだったことが判ります。

 このようにして完全に放電させておいて、次に充電のための電力量を測定します。やり方は簡単で、USBバッテリーチェッカーを経由して充電するだけです。結果はフル充電に必要な電力量は8125mWhでした。

 なお、充電電流は0.5Aほぼ一定で、放電電流は最大1Aという感じでした。充電電流のmaxは1000mAということになっていますが、実際には500mAに抑えているようでした。

▼充電/放電コネクタ
USB-AとマイクロUSB
 充電用(IN)がマイクロUSBで放電用(OUT)がUSB-Aコネクタになっています。同時挿しは禁止と取説に書いてありますが、両者のコネクタの間隔が狭いので物理的に同時挿しは出ない(難しい)ようになっています。つまりバカ除けを狙った構造なんだと思います。それにプリント基板の面積も節約出来るので一石二鳥なんでしょう。

 ところで、殻割りして中の回路を調べると実はこの二つのコネクタの電源ピンは単にパラにつながっているだけ。つまり、INもOUTも関係無いという衝撃の事実があるのですが、その話は次の記事で触れることにします。

 話を充電の電気量に戻します。充放電の電力の関係をブロック図に書くと下図のようになります。

▼電力の収支
充放電のブロック図
 (図の単位が間違ってました、×8125mW 〇8125mWh、×4951mW 〇4951mWh)

 充電したエネルギーに対して放電したエネルギーの比率は 4951 / 8125 = 0.606 つまり総合効率は60.6%ということになります。

 ここでちょっと乱暴ですが、上の図の充電回路と昇圧コンバーターの効率がどちらも同じであると仮定すると、各々の効率は77.8%ということになります。この計算には電池の充放電効率が入っていないので、実際の回路の効率はもう少し良くて80%を少し超えている程度だと思います。これは今時のDCDCコンバーターの効率としてはあまり良い値ではありませんが、とんでもなく低いという値でも無いと思います。

 ついでに電池のエネルギーを計算すると、電池に蓄えられたエネルギー量は 8125 x 0.778 = 6321mWh となります。 ここで電池電圧が 3.6V と仮定すると、電池電流容量 = 6321 / 3.6 = 1756mAh ということになります。これ、公称の2000mAh より少し少ないですが、まあこんなもんでしょう。なお、リチウム電池の高性能な物は3000nAh以上の容量があるらしいので、この製品に使われている電池は、ランクの低い物ということなんでしょう。

◆ここまでのまとめ
 電池容量が公称値より少し少ないですが、まあ値段を考えると悪くない性能だと思います。これならどこかに置き忘れてしまっても惜しくありません(オイ!)。

 ちなみに、ミニオシロの消費電流は220mA(9VのDCDCコンバーターケーブルのUSB入力電流)なので、約4.5時間は連続動作出来ることになります。これってそこそこ実用的な値だと思います。

 次回の記事では分解して内部回路を調べて行きます。なお、内部回路については先人の方がすでに詳しい調査をやられているので、そういう情報を見ながら再確認していく作業になると思います。
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