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魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复 [复制链接]

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— 本帖被 發騷友 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2017-07-12) —
前些天家里充电宝电池差点事儿了,于是发骚兄那里换了几粒,本来就用四粒想起不满9块9不包邮,于是凑了个魅色双槽
充电器,本来不想换这个的,看到论坛对这个充电器的各种问题不得其解时,想着换一个回来研究。我对这个充电器各种
异常问题比较感兴趣,所以就有了这个帖子。

(4粒电池加充电器貌似还差点9块9,还得补邮费吗?想了三天又多换了一粒电池,钱差不多还包邮多一粒电池,我是不是变聪明了~~~)

到手后发现这个充电器确实问题多多 死机 重启 充电宝不能检测到负载 中途停止输出  输出电压异常跳变 充电转灯电压不准 等等。。。


我知道发骚兄是不会管这个事儿的~ 单从现象很难准确判断哪里出现了问题,没办法为了弄清其中原因 只能反向工程用了两天饭后时间
把这个充电器的电路跑了下来,真是体力活呀,全贴片元件 密集的布线 看不清 拿不住 测不准 每测量一步就得核对一遍还得放大镜看
元件丝印和参数,苦了我的老腰老眼了! 结果发现此充电器设计上存在缺陷,而且低级错误。 这个帖子将会对这个充电器工作原理做详细
剖析,对各种异常现象查找分析 最后是改善解决问题的方法。

测试一下 电子负载调1.2a 这个充电器大约1.3a过点输出保护 看似较为正常 请忽略电子负载电压表的指示引线较细压降较大,不影响恒流值
魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复

轻载却不能触发自动输出 按充电器开关强制输出5v几秒中停止输出(负载不能被检测到),电压却不为0 (有2 3v的残留电压)
电子负载调整到低于4v关断 所以这里并没有继续放电只显示了电压  重载可以正常输出5v轻载却不行 这是为什么?
魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复

换个电池再测发现这个残留电压并非彻底关断,有较强带载能力 并非测底关断的漏电压,ebd调整到截止电压1v关断,也就是不让电子负载
在2 3v时关断)测带载能力 100ma果然能继续放电 电压有3.x v 说明轻载并不能正常触发充电器自动开启输出5v 而是电池电压通过
boost升压的电感和隔离二极管后未起振直通的输出电压,说明充电器平时并未彻底关断和电池隔离。
魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复

下面拆了看看 以下是充电器主板所有元件的功用和说明便于坛友了解  (q7是mos哈)
魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复

图中r32忘记标记,为充电宝输出电流取样放大管集电极限流电阻
魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复

魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复

r48 r47 充电电流指示灯限流电阻
魅色双槽充电器详细结构原理剖析+充电宝功能异常输出问题分析+设计缺陷修复

然后是手绘的原理图 可以看到电路还是较为复杂的 密度较高较小请放大观看

红框是丝印代码型号对照表  为了减轻劳动量所有标注都是直标的包括阻容没有换算成具体数值 坛友可以自己换算

下面分析原理  充电宝电路位于电路图下半部分 从电路上看只支持右电池仓,图中b仓。 电池正通过q11 q12(这俩并联 图中只画了一个)
,这俩pmos 是充电宝功能电池供电控制管,栅极g接到r50 r51串联节点,两颗电阻串联在电池正和地之间 ,由于r51阻值远小于r50 mos g极
电位被拉低 开关管导通使电池正极电压通过mos到u1(sd6271升压ic)第5脚为其供电,与此同时u1第4脚en使能端被r21上拉到vcc 使其开通
工作,ic输出5v电压 ,同时u1 4脚en 使能 和q7 栅极接在一起,高电平会使q7导通(q7是负端的输出关断管)而电池负极
(注意不是地,地是参考点)通过反接保护mos q6(正确安放电池 q6会正常导通),放电池 q11 q12 u1 q7 q6全部导通工作使升压电路开始
工作,输出5v电压,5v电压不仅供负载使用,还会通过r45电阻为单片机等电路供电,使其正常工作,这一流程就是充电器放入电池全灯亮自检
的过程,此时usb口有几秒钟的5v输出 然后没有负载自动关断(关断时单片机u3会5脚会输出一个低电平使u1 4脚和q7栅极低电平关断,
u1停振 q7截止开路)。此时正常应该usb口无输出电压,因为q7截止开路了。负载自动启动过程如下,当usb输出口接入负载 电池电压通过q11 q12
电感L3 二极管d9 加到usb输出口正上,此时电压大概是电池电压减二极管压降,这个正电压通过负载加到q8带载 过流 检测 放大管上使q8基极
高电平三级管导通 ,q8集电极接到单片机u3 8脚上使使其电位变低(这个io脚即是led输出供电管驱动端又是充电宝过流检测端 低电平表示过流
或负载状态)单片机检测到电压下降判定有负载接入使5脚输出高电平开通升压电路输出电压,当电流过大时,过流检测电阻r30和q7 ds的串联
等效电阻会变大 压降增大同样再次由r29送入q8 报告单片机过流关断输出。
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以上是充电宝功能流程  看似很合理那么为什么会有检测不到负载的问题呢? 坛友可以仔细看下电路图左下角usb输出接口的外皮,
就是那个长方框,对 是接地的 看起来也没什么问题 ,但是我要说这是严重的设计缺陷低级错误,为什么呢,因为市面上的usb数据线 有两种,
一种usb 4根线中黑色负极是独立的不和u口外皮连接,但是也有很多usb线负极和外皮是短接在一起的,为了增加载流量 外屏蔽层 黑色负极 外面铁皮焊在一起。

如图:短路的  这样问题就来了,如果碰到这种接法的数据线插入充电宝输出,会把usb输出负极和地 短接在一起,效果相当于把q7关断管和r30检流电阻短连
这样的后果就是充电宝自检过后插入轻负载由于r29一直被拉低电平所以无法检测到负载,充电器几秒后自动关断,所以前面带轻载会检测不到负载而关断,
而当重载的时候,虽然usb负极被铁皮短接到地,但是也是有阻抗的,大电流带载铁皮微弱的压降会勉强被q8检测到使充电器正常输出,这就是为什么重载能正常
输出的原因。所以有些坛友会出现,电池满电重载输出正常过一会儿电压下降电流减小就会中途中断输出的原因。 前面还说了 关断后还会残留部分电压
这也是此原因造成的,铁皮和负极短接相当于将q7 r30短连,造成检流电阻异常和q7关断失效,所以即便关断了也还是有2 3 v的电压通过usb口和铁皮地形成回路
造成继续输出。
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哦在赠送个资料
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知道原因了 下面解决办法 下图 你可以用斜口把这四个固定脚剪断 然后环氧胶粘上就好,放到壳里卡住还是问题不大的
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我用了较为麻烦的办法 拆下来
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这两个脚向上弄弯 使其脱离焊盘
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将两个黄圈的焊盘用刻刀独立出来,可以看到红圈的焊盘还使用usb口作为过桥使用,但是篮圈的micro口同样作为过桥使用,作用和红圈一致,所以可以放心的动刀了
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测测短路吗
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黄圈两点焊好 红圈两点不再焊接  黄圈的用于加固
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然后点点儿环氧胶
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改好了负载检测正常 轻重负载可以自动输出了 关断后仍有大概1.xx 2.0x v的电压(数值受电池电压影响) 怎么来的这个是usb输出 正 通过r29检流三极管基极驱动
电阻到q8发射极到地的漏电流形成的 短路只有2ma的电流,对负载无任何影响的 这个和之前的漏电压有本质区别。
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上面的问题刚解决,又发现新的问题 输出过程中没多久发现电压由5v 到3.几v跳变 并且led电量灯跟随电压明暗变化,注意是变化不是熄灭。
高度怀疑升压ic过热保护了,测测温(你别说这个测温枪还真用上了)输出没几分钟的温度 对准ic。。。我勒个去。。。。93度 快能烧水了看来的确
是输出过热保护了引起的升压ic反复自动关停导致输出电压不停的变化。这个保护是此ic自身引起的和单片机无关 那为什么led灯也跟着明暗变化,还是得看电路图
图中左下角usb口5v输出正 和电阻r45相连即是单片机供电也是 q9 led指示灯驱动管的供电,升压ic 反复关停电压波动,必然引起led亮度跟随变化。
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下面看看升压ic资料 sd6271 反查的那个6脚的型号  。 可以看到这是一颗恒流输入的升压ic 注意是输入恒流 不是输出,输入恒流的作用是用来代替关断保护,
过载不关断而是锁定最大输入电流恒定在某一数值,以此来限制最大功率。有些坛友不明白这个恒流到底是怎么个意思,下面举例说明:

比如我通过设置将ic最大恒流值设定在2a 输入电压4v 这时输出功率 4x2x效率=输出电压x输出电流 效率假设100% 公式简化成 输入电压x输入电流=输出电压x输出电流

当输入4x2 总共最大8w 输出假设设定5v 那么输出最大电流将会是 8/5=1.6A 这时再加大负载输入就会限流在最大2a,所以输入功率不会再加大,而为了能输出
大于1.6a的电流 例如我要他输出2a  那么 人家来句臣妾做不到,你非点说做不到也要,那么好吧,只能降电压了,于是输出4x2a 这个组合,既限制了最大输入
功率8w不变 又满足了你非2a不可的要求。 这个就是这个ic的工作方式和保护方式。这样一来有好也有坏,当电池电压很高时例如4v 你带个5v1a的负载 ic输入只需要
1.25a的电流即可,当电池电压末期越来越低你还5v 1a负载 输入电流达到最大恒流值时还不能满足要求只能降电压,后果就是充电奇慢,甚至不能充电
实际上用了给手机充电到是能凑合充,原因后面会说。 可以看到此ic最大输入电流2.5a 但是这是极限值 裸体无良好散热根本不能长期运行地。
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[ 此帖被qrut在2017-06-23 08:36重新编辑 ]
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铁木珍 M币 +20 我也曾想过换一个。后来想到其实我不玩锂电池。 06-24
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典型电路


限流值公式 48000/r3 也就是6脚上的对地电阻




我们看看此充电宝工程师大爷取得值 嗯30c


查表 看看阻值 嗯20k 代入公式算一下 48000/20000=2.4a  我勒个去裸体你都敢让它2.4a 这基本上就是让它去赴死 有勇气的工程师!你不懂得留余量吗,
又一个低级错误


看看电流是不是2.4a 负载我还没加到最大 电流已经2.2了 4v输入功率已经9w多了 这个ic裸体无论如何也招架不住的过热保护成了必然不然就等着烧。


怎么办加强减小恒流值吧,换了一颗27k的电阻使最大电流限制在1.8a左右,这个数值也是多数这类6脚ic 的常用值 裸体可以长期工作不过热保护
如图后换的27k电阻


再测最大电流 稳定在1.8a以下




再测试输出是不是还过热电压反复跳动室温30度 3.x v输入 此时电流接近1.8a  输出设定1a 半个小时未见过热  


测下温度稳定在78度


为了万无一失 再增强一下散热 切了一块下脚料1.2mm厚双面覆铜板 原来实验钻头留下的孔 又多打了几个 大概能露出底壳散热空就行


底壳涂上环氧胶


粘好


由于此ic较矮需要焊接一块铜片垫高 还是镀金铜片~~


完成这样 这个厚度正好严丝合缝贴在最高点的肖特基二极管上 还能给它们散散热  前面没改电流直接加这种散热是镇不住那个ic的发热的 这个ic标称
最大效率90多 实际只是最理想的条件下一小段效率点,实际整体效率最多60多 非常的低呀, 导致 输入8w 输出只能5w多  剩下不到3w全用来发热了。


板子相应位置涂上硅脂


装里面 带载0.8a 为什么是这个数值 前面说了那个升压ic 恒流保护方式有些负载超过其最大输出功率时将不能正常使用,电压跌落太多了,不过
之前讲如果用来给手机充电则问题不大 只是会慢点,为什么呢, 因为手机的充电管理是非常复杂的,先不提qc之类的快充协议,就最普通的充电方式
如果插电脑手机检测到 usb模式则降低电流500ma以下 不然电脑u口烧或保护, 接到普通 usb充电器不带识别,也就是d正 d负未短接 也会降低电流
不启动大电流充电,如果检测到d正 d负 短接 (实际d正 d负 拉高到一定电位 很多手机也进入大电流充电模式)这就是暮色这款为啥也能较大电流
充电的原因 怎么也大于500ma了,不能满档1.x 2a 的充电 原因是手机不但要检测u口d正 d负状态 还要实时监测输入电压 电流 输出电压 电流,
是非常智能的,假设 检测到你是一个d正 d负 短接的充电器,不是立即启动最大电流充电,而是试探性的加大电流比如给个1a 恒流 这时检测你
的充电器输出电压如果达到要求通知系统再加一档电流 比如1.5 还坚挺加到最高 1.8(举例)这时你的充电器如果1a 坚挺 1.5a电压出现跌落,cpu
检测到通知系统 报告正腐 这小子貌似早上没吃早点,您看  ?(cpu是打工的软件才是老大)好吧告诉他就这一回哈 少搬点儿砖吧 于是降到1.2a ,
那小子抗的住了。这就是为什么我用这个充手机它定在800左右的原因。

下面可以看到 不停的协商 最后定在 820






半个小时测外壳温度


充电全程没发现任何异常,知道还剩一格电时 充电器反复重启了。。。。。为什么? 我都烦了, 咋这么多毛病呢。。。分析得出原来充电末期
随着电池电压的降低,快到截止点时由于手机还未充满电,电流仍旧800多 而输入电流已经达到最大1.8a了 输入电压x输入最大电流已经不能满足
输出电流要求,无奈升压ic开始降低输出电压,直到4.75v附近单片机由于也是依赖于升压ic供电,电压太低已经不能满足其稳定工作,反复重启
功能异常,不得不说这个充电器的设计者就是个吃。。。。啥的,解决办法只能更换性能牛逼的升压ic 或者给单片机独立供电,板子都定形了
再改这个,就不能叫改了,等效于重做。。。为这30块的充电器成本人工都划不来,所以还是凑活用吧,以上两项改造至少能保证小电流下全程
正常工作,正常关断 正常启动  ,至于这个升压ic用在这里本就不合适,性能太弱了,在不增加额外电路的前提下把狗拉车改成马拉车臣妾做不到呀
现在这个状态已经基本可以应付日常的应急使用了小电流600ma全程不会有问题,至少比之前带载3分钟 过热电压大幅波动 中途重启死机 半截撂挑子
强很多了。那颗电阻一定要改的不然连手机都充不了,不改输入电流较大充手机,手机会认为它很能干设定一个较大的充电电流,很可能会1.3左右
这样 很快升压ic就会过热保护导致充电器生活不能自理。而改小后 手机设定较低 电流 ic不过热 至少能完成充电任务,有人可能会说改完了输出
电流会更低吗,最大输出电流不会受影响,电池电压较高时ic用不到1.8a这个电流所以不会影响输出最大电流 功率,但是电量较低时会影响输出功率。

下面看看这个充电器整体工作原理
红框是预充电电路,5.x  v电压经lc滤波后送u5 2脚 3脚输出5.06v电压 通过两颗二极管隔离分两路分别去电池仓a b 完成过放电池激活作用
这就是为什么两槽空载电压4.8几v的原因 整减去一个二极管压降,前些日子有坛友用一颗电容接到电池仓说识别到镍氢1.2结果充满后电压却
远大于1.5v,就是这个预充电电路的原因。这个充电器的电池类型识别逻辑也很简单的远大于1.5就是锂电啥锂分不清手动切换
另一路经L4 d10隔离后送往单片机 和u2 为其供电 还通过r45为q9为led指示灯供电。 同时一路送 升压电路电源控制管q11 q12 栅极 使其反偏截止
切断升压电路,避免冲突。431基准偏置通过两颗二极管隔离 一路由usb输入提供一路由升压ic提供 接成2.5v模式


蓝框r33 r34 为输入电压检测 用于实现输入状态检测  红框r47 r48为充电电流指示led限流 一个接正 一个接地 单片机9脚输出高电平一个点亮
另一个熄灭,反之相反。  绿框开关按钮 电阻是下拉限流 按下一个低电平到u3 3脚会触发开机和切换功能。 黄框为电量显示led和限流电阻
可以看到如果不增加一片 74hc164d的话 单片机的io脚光led指示都应付不了,利用一片串入——并出8位移位寄存器,做锁存输出和led驱动,
只需占用2个单片机管脚即可 一个时钟一个数据 输入串行数据 锁存器以并行方式输出节约io口 可以看到锁存器两个数据输入并联使用,并且
和单片机开机脚共用一个管脚,进一步节约io管脚数量。(电量指示灯 a仓电阻在上,b仓相反,主要是为了pcb布线方便,效果一样)


再赠送个资料 单片机打磨了就木有了。。。但是不影响分析






红框分压 绿框分压 分别为篮框两路 pwm输出推动三极管偏置电阻,放大电流后由mos管推动buck降压电路起振降压,d2 d6为输出隔离二极管


想改usb输出过载保护电流动红框  想改充电仓最大限制电压动绿框 想改电池截止电流动篮框(转灯电压不太准的改改 不要大改会影响充电电流)
想改usb输出最大电压动黑框。


改usb电压公式


这个充电器标称 双槽500/1000 x2  我没理解错吧,实际呢 单槽没问题 双槽 即便调到1A 人家也给你强制降到两槽各500 也就是无论但双槽
总共电流就1A 你说那啥不那啥,电路上完全能两路各1A 它却非点给你降,而后面却大言不惭的印着 双槽500/1000 x2  不知怎想的,充电
发热很低的却不能满负荷工作,那个升压ic却偏偏小马拉大车,再次的勒个去了。 不能双槽各1a这个木法单片机决定 坛友帮忙看一下都是这个
情况吗?还是我人品好。


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ps  有坛友反应双槽可以1a,又仔细测试发现时好时坏,反复查找发现左槽电流取样电阻不良,由于之前测试较仓促故障没完全暴露出来误认为单片机限制,更换后问题排除! 结论此充电器可以双槽独立1a充电  。
[ 此帖被qrut在2017-06-25 19:26重新编辑 ]
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来早了还是咋地,居然第一。。。哈哈哈

此帖必火,原充电器设计工程师要下岗了。
[ 此帖被taoshptao在2017-06-23 16:03重新编辑 ]
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强势插入,好文章,即讲了原理,又有解决方法。
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电路分析很详细, 学习了, 手上M币少, 还没有兑换, 无法确定是不是个案问题.
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膜拜大神,手绘原理图,外加电路分析,改进措施。佩服
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相当详细的解释,学到不少东西。谢谢!
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