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ダイソーの500円モバイルバッテリー (リップル対策改造)

 ダイソーの500円モバイルバッテリーの話の最終回です。前回の調査では、携帯機器の充電に使う場合、つまり普通に使う時は特に問題は無いだろうと判断しました。これは、相手の機器の電源間に普通は、比較的容量の大きなコンデンサが入っていることを考慮したものです。

 ところで、このモバブを電子工作の電源として使う場合にはそういう想定は通用しません。こういう制約があることを忘れていると、電源の大きなリップル(1Vpp)が原因になって思わぬトラブルに見舞われそうです。

 ということで、単体のままで使ってもリップルが小さくなるように改造することにしました。

▼回路図 (データーシートより抜粋、追記)
回路図
 リップルを小さくするにはC2かC3の容量を増やせば良さそうです。まずはC2の容量を増やしてみました。

▼C2を増量
コンデンサ追加テスト
 既存のコンデンサに並列に22μFのチップセラコンを入れてみました。このコンデンサはESRが小さくて特性が良い物(X7R)です。

 この対策で、ものすごくリップルが小さくなったのですが、一つ問題が発生しました。それはミニオシロのDSO Shell と aitendo で買った9Vの昇圧ケーブルの組み合わせで使うと、モバイルバッテリーの起動に失敗することです。aitendo の昇圧ケーブルの使用をあきらめて他の昇圧ケーブルを使えばいいのですが、これは気に入っているので、何とか使いたいものです。

 ということで、この対策はボツ。次はC3を増量してみます。

 オリジナルのC3が接続されている場所にコンデンサを追加することは難しいので、USBコネクタの位置に22μFのチップセラコンを接続しました。でもやはり起動不良が発生します。

 22μFでは容量が大きすぎるのか、ESRが低すぎるのがまずいのか、と考えて10μFのリード部品タイプのチップセラコンを入れると問題が解決して、正常に起動するようになりました。

▼追加したC3
出力に10μFのセラコン追加
 10μF(106)のチップコンデンサをここに入れました。

 これで aitendoの昇圧ケーブルでDSO Shellが使えるようになりました。起動不良になった原因はよく判りませんが、ソフトスタート中に過電流でトリップしていたような気がします。スイッチング電源は難しいです。

 リップルは少し大きいですが、これで電子工作でも安心して使えるようになったので、もう一度特性を測ってみます。

▼出力電流vs電圧特性
出力電流電圧特性
 前回の測定より電圧が低めなのはバッテリーが放電気味だったのだと思います。(前回のデーターは満充電時)

▼出力電流vsリップル特性
リップル特性
 この測定では負荷に47μFのコンデンサは接続していませんが、その時よりリップルは小さくなっています。なお、改造無しでは1V(PP)以上のリップルが発生します。

 グラフの負荷電流の小さい領域でリップルが大きいのは、この領域はDCDCコンバーターがバーストモードで運転されるためです。小出力時の効率低下を防ぐには仕方ない仕様でしょう。

 以下、追加情報をあれこれ書いておきます。

▼ミニオシロDSO Shellを動かす
DSO Shell
 このモバイルバッテリーは薄いので、こういう使い方が似合います。

▼使用中に充電すると
充電すると出力は遮断される
 取説には「充電中は使用しないでください」と書いてあったと思いますが、試しに使用中に充電してみると、出力が遮断されました。これはこれで有りの仕様でしょうね。

 ちなみにダイソーの300円のモバブは使用中に充電してもそのまま使えていました。というか充電と出力のコネクタは単にパラに接続されているだけなので、仮想的な5Vの二次電池とみなすことが出来てこれはこれで面白いです。でもそんなことやっちゃダメと書いてあった気がします。

 あと、出力電流が小さくなると自動遮断されますが、その閾値が約20mAと前の記事に書きました。でもこれ正しくなかったようです。というのは出力に大容量のコンデンサを接続すると自動遮断されませんでした。具体的には470μFのコンデンサだけ負荷に接続すると自動遮断されませんでした。ダイナミックなインピーダンスを見ている感じになっているようです。

◆まとめ
 あと一桁リップルを小さくしたかったのですが、どうにもうまくいかなかったのでここで妥協しました。DCDCコンバーターは難しいです。特にこれは500kHzのインバーターなので、部品の特性や取り付け位置の違いがシビアに結果に現われている感じです。

 ともかく、540円で買ったおもちゃでいっぱい遊ばせてもらいました。ダイソーさん大好きです。

ダイソーの500円モバイルバッテリー (特性測定)

 ダイソーの500円モバイルバッテリーを調べる話の続きです。前回の記事では内部回路を調べて使い方のクセなどが判ったので、今回はいよいよ特性測定です。

 まずは出力電流と電圧の関係です。

▼出力電流電圧を測定する時の回路
出力特性測定
 モバイルバッテリーの出力に接続している青色のUSBパワーモニターは、単に電流測定用のシャント抵抗として使っているだけです。その先は47μFの電解コンデンサをパラに接続しており、さらに写真中央上の電子負荷につながっています。出力電圧とリップルは、この写真のように電解コンデンサを接続した位置でプロービングしています。

▼電流電圧特性
出力電流/電圧特性
 1.2Aくらいまでは電圧低下は少なく、十分使えそうで、ともかく公称出力の1Aは出ています。なお、電流が1.42Aくらいで出力がシャットダウンされました。

▼電流/リップル特性
電流vsリップル特性
 負荷電流を変えた時の出力電圧のリップル電圧 (PP) です。これは出力に47μFの電解コンデンサを接続した状態の値です。電解コンデンサが無いととてつもなく大きなリップルが発生するのは前の記事に書いた通りです。

 ノイズが問題になる用途ならもう少し性能の良いコンデンサを使うと良いと思います。また、単に携帯機器のバッテリーを充電したい場合は、これくらいのリップルがあっても支障は無いはずです。

▼リップル波形例ー1
小出力時のリップル波形
 これは変流が小さい場合のリップル波形です。この領域では、効率を上げるためにDC-DCコンバーターがバーストモードで動くので、普通はこういう波形になります。なおリップルの、周期は500μsなので2kHz。これはオーディオ帯域なので、場合によっては耳で聞こえるかも知れません。

▼リップル波形例-2
最大リップル波形
 これはリップルが最大になった時(負荷電流0.8A付近)の波形です。振幅は250mV、周期は5μsです。

▼ついでにDDコンのスイッチング波形
内部波形
 これはインダクタの入力電圧波形です。周期は1.9μsなのでスイッチング周波数は530kHzで、データーシート通りになっています。

 次は電気容量特性です。

▼充電電流量
充電電流量測定
 簡単にUSB電源チェッカーを繋いで満充電になるまでの積算電流を測定しました。結果は2665mAhでした。

 シリーズレギュレーター方式で充電しているので、この値がそのまま電池を充電するための積算電流値とみなすことが出来ます。電池の公称容量は3000mAhなので、充電にはこの値以上の電流量が必要になるはずですが、少し小さな値になっています。

▼放電電流量
容量測定
 負荷電流が1Aになるように電子負荷をセットしてUSB電流チェッカーで積算電流量を測定してみました。結果は、1761mAhでした。重要な値なので何度か測定しましたがほとんど同じ値でした。

▼電圧変化特性
電圧の時間変化はDSO Shellで測定
 前の記事で引用した”ガチ検証”のサイトがやっていたように、放電停止までの出力電圧の変化を見てみました。簡単な測定方法としてミニオシロのDSO Shell を使いました。一番遅いレンジでは20秒間隔で記録でき、データー数は1024ポイントなので 5.6時間分の記録まで可能です。

 記録した波形を、自作の光シリアルインターフェイスを通してエクセルに入力して作ったのが、以下のグラフです。

▼電圧変化 (放電電流=1A)
出力電圧変化
 開始から終了までの間に僅かに電圧が下がっていますが、許容範囲だと思います。

 この測定で放電完了までの時間は 1.72Hr なのでUSB電源チェッカで測った値とほぼ一致しています。なお、グラフの値が少し凸凹しているのはリップルを拾っているためです。

◆バッテリー容量の計算
 USBの5Vから負荷電流1Aの時に出せる積算電流が 1761mAh という測定結果からバッテリーの容量を推定してみます。
 DCDCコンバーターの効率を91%、リチウム電池の平均電圧を3.7Vと仮定すると、

 バッテリーの推定容量は、(1761 * 5 / 3.7) / 0.91 = 2615mAh ということになります。公称のバッテリー容量は3000mAhなので約13%少ないですが、まあこれくらいは許容範囲だと思います。

◆最小出力電流
 このモバイルバッテリーは負荷電流が小さくなると自動的に出力が遮断されます。この機能のおかげで電源の切り忘れが無くなって便利でが、極めて軽い負荷の場合は電源を入れてもすぐに遮断されるので使えないということになります。この限界電流を調べてみると、約20mAでした。つまり20mAより軽い負荷の場合は電源が遮断されるということです。電子工作の電源として使う場合は要注意です。なお遮断までの時間は15秒でした。

◆まとめ
 ダイソーの500円モバイルバッテリーの特性を測定しました。出力可能な最大電流は公称値に対して20%くらい余裕がありました。一方で電池の容量は少し(13%)少ない結果となりましたが許容範囲だと思います。

 ガチ検証のサイトによると最大電流は0.6Aという評価になっていますが、実際の使用状態(負荷に大容量のコンデンサが入っている状態)ではちゃんと公称値の1A以上の出力が出ることが確認出来ました。

 今回の測定で少し疑問なのは、電池を充電する時の電流積算値が2665mAhなのに対して、放電容量の推定値が2615mAhとなっていて両者の値がとても近いことです。これだと電池の効率は98%ということになりますが、いくら何でもこの値は高すぎる気がするので、測定のどこかに間違いがある可能性があります。
 まあ、充電する時は商用電源から電力をもらう訳で、いわば親方日の丸状態。ということで、こちらの電力の心配はしなくていいのでどうでもい話ではあります。

 ダイソーの300円のモバイルバッテリーの最小出力電流は確か60mAで、これより負荷が軽いと電源の断続が繰り返されます。また定常状態でも出力電圧が2秒周期で短時間(4ms)電圧が0.3V下がるという変な動きがありました。
 一方で今回調べた500円のモバイルバッテリーは最小出力電流が20mAと小さくなっていて電子工作用には使い易いと思います。また変な電圧のディップもありません。また、一度遮断されるとスイッチを押さない限り出力は自動復帰はしないので、この点でも使い易いと思います。まあ起動するためにはボタンを押さないといけないですが。 (コネクタを差し込むと自動起動でした。)

 以上でダイソーのモバイルバッテリーの調査は完了です。結論としては、大きなリップルはあるけど実際の使用条件ではほとんど問題になることは無く、仕様通りに使える物と考えます。

◆今後の予定
 そうは言って見リップルは少ない方が良いので、自分用にESRの低いコンデンサを組み込んだスペシャルバージョンを作ってみようかと思います。うまくいったらまた記事で紹介したいと思います。

 この記事の測定結果は、あくまでも私が購入した個体に関するものであることを、ご注意ください。

ダイソーの500円モバイルバッテリー (回路調査)

 ダイソーの500円モバイルバッテリーを買って便利に使っています。300円の物と比べると薄くて持ち運びやすいので気に入ってます。

▼ダイソーの500円モバイルバッテリー
ダーソーの500円モバイルバッテリー

 この商品に対するネットの評価はさまざまですが、たまたま見た、ダイソーの「500円モバイルバッテリー」をガチ検証してみた結果 と言う記事によると、“お値段なりかそれ以下のモバイルバッテリー” という評価です。内容としては、特に出力のリップルがめちゃめちゃ大きい、というレポになっています。

 でも、私が使った限りではそんな問題は感じず、普通に使えています。とは言っても、記事には高級そうな測定器で測ったグラフ付きで報告されているので、情報の信ぴょう性は高そうです。

 こうなると自分で調べてみるしかありません。ということで、調べ始めました。

 以下報告ですが、内容がややこしいので今回は基本的な確認まで行うことにしました。実際の特性の測定は、次回以降の記事で行いますのでご了承ください。

▼殻割り
分解
 ケースの隙間を強引にこじ開けましたが、内部はプラスチックの爪で固定されていて、いくつかの爪はちぎれてしまいました。でも爪はたくさんあるので、残った爪だけでたぶん大丈夫でしょう。

 中にはラミネートタイプのリチウム電池が入っていました。電池は強力な両面テープで固定されているので、角を少し浮かせ、隙間にエタノールをアトマイザで噴霧して徐々に剥がしました。上の写真の右の半透明な容器がエタノールを入れたアトマイザです。ここでマイナスドライバーなど金属で電池を ”こじる” と、電池に深刻なダメージを与える可能性が高いので、割りばしを削った物など、柔らかい物をヘラ代わりに使って少しずつ剥がした方が安全です。

▼基板
500円モバイルバッテリーの基板
 XB8686Eというマーキングの8ピンのICと、TP4361Bというマーキングの16ピンのICが使われていました。まずはこのICの素性を調べてみました。

 いつもならパターンを追っておおざっぱな回路図を書きます。でもこの基板は電池が外せないし、ちょっとしたことでDC-DCコンバーターが起動します。テスターで導通を当たっている最中に回路が動き出すと、テスターを壊しそうです。そんなことで、今回は回路図作りは止めました。

 ただ、メーカーの推奨回路図が発見出来たので、どういう配線になっているかはほとんど判りました。

▼XB8686Eの推奨回路図 (データーシートから抜粋)
XB8686Eの回路図
 これはリチウムイオン電池の保護用チップでした。単セルリチウム電池の保護回路に入っているICと同じ物のようで、過電圧、過電流、過放電などに対する保護を行います。300円のモバイルバッテリーにはこういうチップは入っていなかったので、一段安全性が高くなったような気がします。

▼TP4361Bの推奨回路図 (データーシートより抜粋)
TP4351の回路図
 こちらがリチウム電池の充電と、5Vへ昇圧するコンバーターの制御チップで、モバイルバッテリー専用に設計されたチップのようです。細かい仕様はデーターシートを見ていただくとして、出力は5V/1A、充電電流は最大1Aで調整可能、電池保護機能、LEDを4個使った充電状態表示機能付きです。スイッチング周波数は500kHzと結構高いので比較的新しい設計の物のような気がします。

 なお今回のモバイルバッテリーの回路は抵抗などの値は異なるものの、ほぼこの通りの回路になっていました。

 少しだけこの回路を解説しておくと、充電電流はR7の値で決まり、この基板では1.2kΩだったので充電電流は0.83Aに設定されています。充電はシリーズレギュレーター方式で行われるので、USBからの入力電流が(ほぼ)そのまま電池の充電電流になります。昇圧は同期整流でやっているようで、データーシートでは効率は91%となっています。

▼出力波形
出力波形
 確かに1V以上の振幅のリップルが乗っています。雲のようにもやもやしているのはスイッチングに伴う波形です。トリガ条件をきちっと設定すればこれが綺麗な波形として見えてきます。(アナログ400Mhzオシロで見ています)

 ちなみに、これは5Vの出力波形@0.5A負荷の状態です。負荷の大きさによって波形は変わってきますが、本来のDC-DCコンバーターのスイッチング波形に加え、負荷状態によっては、間歇的にスイッチングが止まったような波形が出ています。これは何らかの保護機能が働いたか、あるいは効率を下げないための制御機能が動作しているのだと思います。

 ともかく、このリップルは、DC-DCコンバーターの出力コンデンサの容量不足が原因なんでしょう。現物の基板に載っているコンデンサの容量は不明ですが、出力端子からLCRメーターで測ってみる(電池の内部抵抗測定用のアダプタ使用)と、1μFしかありませんでした。たぶんこれでは全然足らないでしょう。ちなみに、推奨回路図では出力コンデンサは10μFが2個使われています。

 とにかく本当にこんな波形だったら、ダメなことは間違いありません。

 でも、実際の使用状態を考えると、相手の機器の電源入力には必ず大容量のコンデンサが入っています。ということは、ほとんどの場合は問題は発生しないのではないでしょうか。

 そんなことで実際の使われ方を想定して、出力に47μFの電解コンデンサを入れてみます。

▼出力に47μFの電解コンデンサを付けてみた
出力に電解コンを接続
 こうするとリップルは100mV程度まで小さくなりました。これなら問題はありません。

 また、50cmくらいの配線を入れてその先にコンデンサを入れると、配線のインダクタンスのフィルタ効果も加わり、さらにリップルは小さくなります。なお、500kHzのリップルに電解コンデンサでは頼りないので、積セラで再度試してみたいと思います。

 あと、配線のどこで、どんなプローブを使って観察したかで結果は大きく違ってくるので注意が必要です。

◆まとめ
 この500円のモバイルバッテリーには、安全性を高めるための保護チップが追加されていたりするので、300円の物より良い物に仕上がっていると思いました。

 ”ガチ検証の記事”には、とんでもない性能、と書かれていますが、実際の使用状態ではそれほど悪い物ではない気がします。記事に書かれている測定結果はまぎれも無い事実でしょう。でも、どういうふうに配線したかを明確にした上で、測定結果の考察をもう少し丁寧にやっていただくと良かった気がします。お金をもらって記事を書いている(はずの)ライターさんには、厳しめにコメントしてます。

 負荷側のコンデンサの容量を期待してこういう回路になっているのか、はたまた単に安く作るためにコンデンサの容量をケチったのかは判りません。たぶん後者のような気がしますが、結果オーライになっています。

 次回の記事では容量などの性能データーを調べて行きます。
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