5V モバイルバッテリーの並列接続をしたい。

普通に生きていると、5V 2A の出力を複数(4つ)合成して、5V 8A をとりだし、12V に昇圧したくなることがあると思う。

DC/DC コンバータの並列接続

モバイルバッテリーの出力は DC/DC コンバータになっている (殆どは昇圧、たまに降圧のコンバータ) 。OCP (Over Current Protection 過電流保護)なども当然装備されているが、普通はスペックシートにはどういう挙動をするかは書いていない。ということで、基本的にスペックシートが保証していること(出力電圧、電流)だけに依存して、並列接続の回路をつくりたい。

DC/DC 電源を並列接続するには、電流制限回路とダイオードが必要になる。

電源間で逆電圧がかかったりしないように、まずダイオードが必要。これにより、電流が少ない場合は、電源の中で一番電圧が高い電源から全ての電流が供給される。

ダイオードだけだと、電流量を増やしたとき、モバイルバッテリー側のOCPにひっかかり、挙動が不安定になるため、電源制限回路で最大電流を2Aまでに制限し、2A以上とろうとしたら電圧降下させることで、他のバッテリーから電流が流れるようにする。

回路

ということで、電流制限しつつダイオードをつけたくていろいろ調べた結果、LTC4415 というICがあり、まさにこの用途に使えそうだと思った。LTC4415 は電流制限つき2回路理想ダイオード。

実装

LTC4415 は 16PIN MSOP + GND PAD となっており、手はんだするのが非常に難しかった。MSOPはともかく、グラウンドパッドはとてもつらい。

どうしようもないんだけど、一応以下のようにやると比較的再現性よくはんだがつけられた。

  • 基板側の GND パッドにちょうどいい量のはんだを盛る
  • IC を基板において位置をあわせ、1pin か 2pin ぐらいはんだ付けして仮り固定する
  • 基板を裏返し、慎重に抑えつけつつ、ICのすぐ裏にはんだごてをあてる
  • GNDパッドのはんだが溶けたらこてを離す (勘)

しかし、こんなことするよりホットプレートとシリンジクリームはんだで手動リフローしたほうが結果はいいと思う。

結果

思ったよりも大きい電流をとろうとしたときの電圧降下が大きく、6A ぐらいで 4.5V 付近まで下がってしまうことがわかった。こうなると後段にいれる 5V -> 12V の DC/DC コンバータの入力電圧を下回ってしまい、出力そのものがでなくなる。

電流制限による電圧降下による合成は、最も低い電圧の電源電圧によって最大電圧が制限されるため、1台でも弱い電源があって電圧降下すると、出力電圧に直接響いてくる(電流制限回路での電圧降下は全て損失になり発熱もする)。

これは電源そのものの弱さ (内部抵抗の高さ) だけではなく、コネクタの接触抵抗とか、ケーブルの善し悪し全てを含んで最悪の場合の電圧が出力されることになるので、たくさん合成するのは結構厳しい。印象としては近しい電圧の2つまでならこの方法でいけるかな程度。

結局、これでうまくいくなら簡単でいいなと思っていたが、12V 2A ぐらいまではギリギリとれる程度で、あんまり満足いく結果ではない。

ほかの方法も検討したい。

上記以外の検討事項だったもの

モバイルバッテリーは 50mA 以下の電流が続くと「充電終了」と判断して出力が落ちたりするため、基本的には常時 50mA 程度流す設計が必要になる。

この例のようにダイオードORの場合、電圧が低いバッテリーからは殆ど電流が流れてこないため、時間が経過するとパワーオフになって、必要なときに電流がとれなくなると思われる。

いろいろ解決方法はあると思うのでとりあえず無視していた。

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前に [tech][ham] 電池ケースの電圧降下 | Fri, Sep 26. 2014 - 氾濫原 というのを書いた。

こういうバッテリークリップを利用した電池ホルダーを作ったが、金具の安定度が悪く、端子間でショートしやすいのと、ちょうどいいケースがなくて金具そのものが露出しており、出力のケーブル間とでショートしやすく、かなり安全性が低かった。


ということで、DigiKey を利用するタイミングがあったので、試してみたかったKeystone Electronics のバッテリーホルダーを買ってみた。189という2個直列のタイプ

ケースは http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00277/ がたまたま手元にあってピッタリだったので使った。


エネループが少し大きいからというのもあるだろうが、かなり入れるのがかたくて大変。金属製なので電池のシースが破れてくると使えないという問題もあるが、前よりはだいぶマシになったと思う。

メモ

エネループは 1900mAh しかない。直列10本で12Vということにして計算すると 22.8Wh。

KX3に接続し12Vで受信に 0.2A (2.4W)、送信出力5Wに2A(24W)、デューティー比1:1 (送信半分受信半分) の場合、1時間に14.2Wh消費する。最大で1.6時間ぐらい持つ計算。

Amazonベーシック 高容量充電式ニッケル水素電池単3形8個パック(充電済み、最小容量 2400mAh、約500回使用可能) -

3.0 / 5.0

Amazon Basics のニッケル水素電池だと 2400mAh。同じように計算すると 28.8Wh、最大で2時間程度

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ebay で600円ぐらいで売っている LTC1871 の昇圧モジュールを買ってみた。いくつかバージョンがあるみたいだが、ボタンが2つついているタイプ。かなりちいさい。コイルはシールドされてない。

放熱器が両面テープでとめられていて(届いた時点ではそもそも両面テープでついてなかった)、ちょっと不安がある。

5V->12V 昇圧で

  • 2.5W -> 1.78W 71.2%
  • 5W -> 4.1W 82.0%
  • 10W -> 8.6W 86%
  • 15W -> 12.8W 85.3%
  • 20W -> 16.6W 83%
  • 25W -> 20.7W 83%
  • 30W -> 25.7W 86%
  • 35W -> 30.8W 88%
  • 40W -> 34.8W 87%
  • 45W -> 40.5W 90%

こんな感じだった。低電流のとき効率があまり良くない。

40W出力するとボードが結構熱くなる。ヒートシンクもそうだがコイルなども結構熱い。とはいえ全く触れられないレベルではない。

45Wを超えると急激に出力電圧が下がるので、5Vではこのへんが限界っぽい。入力電流は9Aが最大というスペックなので、スペック通り。

値段の割にはかなり良い気がする。

メモ

  • パターンを見る限り5ピンは未接続なのでバーストモードが有効
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  3. LTC1871 の昇圧(ブースト) DC/DC モジュール

そういえばだいぶ前に買ってあったのを忘れていた。

これ http://www.aitendo.com/product/10257 (ebay だと 200円ぐらい)

5V -> 12V 昇圧時

  • 2.5W -> 1.75W 87.5%
  • 5W -> 4.26W 85.2%
  • 10W -> 7.99W 79.9%

これ以上出力しようとすると電圧降下するので限界っぽい。IC 自体は最大 4A らしいがそこまでは全くいかない。aitendo の説明だと最大出力 3A と書いてあって謎だけどいずれにせよそこまでいかなかった。

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