Использование аккумулятора от iPhone при разработке носимой электроники
Довольно часто у меня возникает задача разработки портативных устройств с питанием от одной ячейки Li-ion аккумулятора. И, если заказчика обычно это не беспокоит, то у меня, как у опытного инженера, при виде такого ТЗ по спине пробегает дрожь. Это связано с тем, что оценка уровня заряда аккумулятора, а также оставшегося времени работы — это очень непростая задача, хотя на первый взгляд может показаться иначе.
Есть несколько вариантов действия в таком случае, о них поговорим ниже.
— Самое простое — не делать ничего для определения уровня заряда АКБ. Схема заряда на простом линейном ЗУ (например, на TP4054) и преобразователь напряжения для питания устройства. Выключится без предупреждения и в самый неподходящий момент.
— Измерять напряжение на АКБ. Результат примерно аналогичный предыдущему пункту, но требующий больше усилий. Типовая схема для измерения:
По сути, это делитель напряжения на резисторах R19 и R21, подключаемый через ключ VT6. Транзистор VT7 нужен для исключения паразитной запитки МК через вывод EN.
VBAT – напряжение батареи
VBAT_mes – напряжение, приходящее на АЦП
EN – сигнал управления делителем (0-выкл, 1-вкл)
Теперь мы знаем напряжение АКБ, мы – большие молодцы. НО это почти ничего не дает. Дело в том, что типовая разрядная кривая Li-ion АКБ, мягко говоря, не линейна и она зависит от тока потребления и температуры самой АКБ:
Глядя на эти графики, можете сказать какова остаточная емкость АКБ при напряжении 3,5В? Думаю, что нет…
Этот метод можно немного улучшить, воспользовавшись встроенным в МК термодатчиком для приблизительной оценки температуры АКБ, а также либо поставить датчик для измерения тока, либо (если ток потребления примерно постоянен) построить разрядную кривую для типового тока потребления. Это позволит хоть немного оправдать трудозатраты, но ни о какой точности и речи быть не может. Для индикации заряда на 3х светодиодах – да, пойдет.
В случае постоянного тока потребления можно считать время работы от АКБ и оценивать потребленный заряд и время нахождения на зарядке для оценки накопленного заряда. Такой метод дает накапливающуюся ошибку, поскольку калибровка может быть только в двух точках (полный заряд или полный разряд), а они не всегда достигаются. К тому же по мере износа АКБ максимальное время работы должно корректироваться, но в целом метод имеет право на жизнь.
— Делать собственную систему контроля заряда АКБ (BMS). Для ее реализации нам необходимы датчики тока, температуры и напряжения АКБ. Считаем, что МК в устройстве уже есть и остается «всего лишь» написать для него ПО, на которое у меня в свое время ушло чуть меньше года.
— Взять готовую микросхему Gas Gauge (например, от TI или Maxim Integrated), сконфигурировать ее, откалибровать и работать. Например, схема для bq27220:
Есть несколько нюансов при выборе такой концепции:
- В случае, если батарея съемная, необходимо либо ставить схему определении заряда на саму батарею (иначе она будет обнуляться при отключении), либо использовать специальные версии Gas Gauge, которые допускают отключение АКБ. В первом случае, батарея вашего устройства становится уникальной и ее замена возможна только с вашим участием, что не всегда удобно. Во втором случае, существует проблема размещения термодатчика на АКБ.
- Высокая стоимость решения. Основные компоненты: микросхема Gas Gauge, микросхема защиты, транзисторы, терморезистор, резистор датчика тока.
— Использовать более простые варианты готовых решений типа CW2015:
Это Китайский аналог микросхемы MAX17048. Абсолютно простая микросхема без датчиков температуры и тока, с соответствующей низкой точностью, но при этом дешевая, простая в использовании и программировании. Имеет возможность работы на стороне устройства, что позволяет не модифицировать саму батарею. Микросхема была найдена на просторах сети в процессе написания материала, опыта с ней нет, но есть желание попробовать, поскольку вариант действительно интересный. Возможно, в следующем материале я расскажу об этой микросхеме подробнее.
— И, наконец, последний известный мне метод, которому я хочу посвятить сегодняшнюю статью. На мой взгляд этот метод самый простой, но дает наилучший результат. Заключается он в том, что мы берем батарею от iPhone со встроенным Gas Gauge и защитой, подключаемся по HDQ или I2C, опрашиваем и работаем. При этом батарея уже собрана и откалибрована. Ниже таблица, с известными мне, вариантами АКБ:
Таблица частично взята с сайтов ripitapart.com и www.macplus.ru. Прошу обратить особое внимание на неизвестный контроллер с маркировкой A1141. Эта микросхема производства компании PowerFlash и это вся информация, которую удалось найти. Автор блога, из которого я брал таблицу, не был уверен, что ему досталась оригинальная батарея от iPhone SE. Благодаря отзыву asterix_tyumen, который разобрал оригинальную батарею от SE было установлено, что в ней стоит sn27545. Ниже мы будем вынуждены более подробно рассмотреть A1141. Но пока посмотрим на аккумуляторы:
Как видно, АКБ на любой вкус и цвет, с яблоком и без. Также их можно соединять параллельно для увеличения емкости, с раздельным опросом. Из недостатков стоит отметить, что пропорции длина/ширина примерно 3:1, а это не всегда удобно, а также уникальный разъем для подключения. В силу популярности телефонов Apple эти аккумуляторы можно спокойно купить во многих местах и в большом количестве (как оказалось это не совсем верно).
При разработке беспроводного автономного RFID считывателя мы пошли именно этим путем.
Была выбрана батарея от iPhone 6, которая подходила нам и по емкости, и по габаритам. Были закуплены несколько экземпляров в разных местах для проверки:
Правая была куплена в Китае, остальные в Москве. Стоимость $6-11. При их проверке будут получены достаточно интересные результаты. Особое внимание обратите на коробочку с надписью «Ориг», позже мы к ней вернемся. Проверка проводилась с помощью самого RFID считывателя, программатора EV2300 от TI и программы Battery Management Studio.
Схема питания RFID считывателя представлена на рисунке:
Линейное ЗУ на базе STC4054 (TP4054), ток заряда 500 мА, включатель питания с автоподхватом на базе геркона SF1, конденсатора C19, диода VD4 и резистора R15, а также импульсный преобразователь на базе NCP1529.
Первым я подключил экземпляр из Китая за $6:
Батарея отвечает, НО не отображался ток ни при заряде, ни при разряде, напряжение не соответствовало реально измеренному и степень заряда не менялась. На команды АКБ не отвечал. Появилось предположение, что этот экземпляр — подделка, поэтому снял с него защитный скотч, чтобы посмотреть на плату:
Вот это поворот… Я не стал даже перерисовывать схему – тут и так понятно, что стоит эмулятор bq27545 и цепь защиты от переразряда/перезаряда. Сразу появилась мысль сэкономить себе время и раскрыть все аккумуляторы.
Сосед слева от Китайского коллеги за $8 похож с разницей в маркировке на микросхемах. В остальном ведет себя так же. Эти 2 экземпляра сразу в мусорку. К сожалению, у меня не было под рукой iPhone 6 для проверки этих батареи в целевом устройстве, уж очень интересно было посмотреть как телефон повел бы себя при работе от этих АКБ.
А это центральный аккумулятор, стоимостью $8. В нем даже датчик тока есть и какая-то 8ми выводная микросхема со скромной маркировкой 6G3. В Battery Management Studio эта батарея притворяется bq27545 более искусно. Отображается уровень заряда, корректное напряжение, ток батареи. Но если бы все это было реальным, то подделка бы не была подделкой. В реальности температура была задана константой, ток измерялся очень плохо. На картинке показан ток потребления RFID считывателя, который измерен батареей при постоянном считывании карты.
В реальности он составляет
55 мА для такого режима работы и, поскольку поле считывателя включено всегда, то нулем не может быть. При заряде (когда ток постоянен на большом промежутке времени) датчик тока работает нормально. Естественно, все остальные параметры высчитываются некорректно (уровень заряда, время работы до полного разряда и тд). Флаг FC (Full charge) устанавливается при напряжении 4,4В.
На команды батарея не отвечает, флаги QEN и RUP_DIS не выставляются. В целом, это неудачная попытка китайцев написать обманку bq27545 на МК (во всяко случае я думаю, что это так). Тоже в мусор.
Помните, я просил обратить особое внимание на экземпляр в коробочке с надписью «Ориг»? Именно он оказался максимально приближен к тому, что мы искали (и как теперь не верить рекламе?):
Стоимость его составила $9. В центре прекрасно видно микросхему с маркировкой SN27545 — это как раз то, что мы искали. С этим экземпляром я стал работать более плотно. В процессе проведения пробного цикла заряд-разряд возникли проблемы. Я никак не мог получить установленный флаг FC (Full charge), что означало окончание процесса заряда. Ток заряда при напряжении АКБ близком к 4,2В становился крайне малым (около 20мА) и процесс заряда грозил не закончится никогда. Одной из возможных причин оказался USB кабель с большим падением напряжения (до микросхемы ЗУ доходило 4,5В), его мы заменили на более качественный с меньшим падением напряжения. Показатели улучшились, АКБ зарядился до 4,2В, ток упал до 0, но SOC (State of charge – уровень заряда) доходил лишь до 85, соответственно флаг FC не устанавливался.
Несколько суток я гонял циклы с расчетом, что батарея обучится, но это не помогало. Проблема оказалась банальна, но ее поиск занял 2 дня. В какой-то момент я обратил внимание, что батарея на 4,35В и это стало ответом на все вопросы. ЗУ стандартное на 4,2В и я совсем не обратил внимания, что батарея на 4,35В и происходит неполный заряд. Поскольку платы уже были изготовлены, то единственным вариантом нормально выйти из ситуации стал поиск замены STC4054 с напряжением 4,35В. Оказалось, что такие микросхемы существуют, но в нашей великой стране спокойно их не купить (видимо непопулярны от слова совсем). Поэтому был заказан вариант MCP73832T-3 с ожиданием в пару недель.
Ну а пока заказанное едет, мы сделаем колхозный патч для проверки концепта. Для этого сделаем «подпорку» в 0,15В для микросхемы ЗУ с помощью диода:
Надо признать, что колхоз заработал, флаг FC установился, все работает, но конечное напряжение АКБ составляет 4,4В (падение на диоде больше требуемых 0,15В).
Важно отметить, что можно заряжать и до 4,2В с соответствующей потерей
15% емкости, но при этом существенно продлить жизнь АКБ. С экземпляром «Ориг» мы закончили – его можно смело закладывать в разработку.
Остался последний экземпляр. Самый дорогой ($11), в самой крутой упаковке и потребовавший больше всего времени на себя. Смотрим что внутри:
Вот она неизвестная микросхема A1141 на которую нет никакой документации кроме страницы производителя. При принудительном подключении как к bq27545 в Battery Management Studio мы видим следующую картину:
Полный мусор. При попытке заряда током
500 мА показывает 125 мА, при разряде током
25 мА показывает 214 мА. Понятно, что если A1141 имеет другие адреса параметров или отличный от bq27545 формат хранения данных, то без документации с этой АКБ нам ничего не светит. Поэтому ее отложили в сторону, но уже под конец написания материала я решил подключить ее еще раз. Я взял таблицу команд микросхемы bq27545:
И считал регистры напряжения (0x08 и 0x09) через меню Advanced Comm:
Источник
Стоит ли менять аккумулятор в iPhone: плюсы, минусы и замена
Современный человек использует смартфон ежедневно, некоторые пользователи не расстаются с любимым гаджетом. При таком активном использовании страдает не только внешний вид, но и «начинка», со временем производительность аккумулятора снижается. Это приводит к регулярной зарядке, выключению в самый неподходящий момент.
Тогда многие владельцы iPhone задумываются о смене аккумулятора. Давайте рассмотрим основные аспекты данного процесса: когда и зачем стоит менять, какие существуют аккумуляторы, главные преимущества и минусы замены.
Когда нужно менять аккумулятор?
Как определить нужен ли вашему устройству новый аккумулятор:
- Телефон плохо держит зарядку. Одна из основных причин для вмешательства. Проследите как часто вы стали заряжать свой телефон: раз в день или каждые 5-6 часов, хватает ли батареи на сутки или айфон быстро выключается даже при неактивном использовании. Также лакмусовой бумажкой является и отключение при наличии заряда (может быть даже при 40%).
- Проверьте состояние аккумулятора. В версии iOS 11.3 и выше в настройках смартфона доступна подобная информация. Для этого перейдите «Настройки», откройте раздел «Состояние аккумулятора». Новый iPhone имеет максимальную емкость 100%, но со временем значение может уменьшаться. При показателях ниже 80% требуется замена. В данном разделе вы найдете дополнительные уведомления о состоянии аккумулятора. Если его требуется сменить в срочном порядке, появится соответствующая отметка: состояние аккумулятора значительно ухудшилось.
- Визуальная деформация. При некорректной работе устройства могут появиться и внешние признаки. Так аккумулятор может вздуваться, от чего выпирает экран, а при нажатии на дисплей возникают нехарактерные разводы. Лучше сразу заменить аккумулятор, чтобы в дальнейшем не возникло проблем еще и с экраном.
Какие есть виды аккумуляторов для айфонов?
Для замены как аккумулятора, так и других деталей сама компания Apple советует использовать только оригинальные комплектующие. Однако, установить в iPhone неродной АКБ вполне возможно.
Рассмотрим три вида аккумуляторов:
- Оригинальный. Снимается с «донора», с другого смартфона аналогичной модели, который уже не будет в эксплуатации по причине другой поломки. При этом аккумулятор у него не потерял емкости и производительности.
- Аналоги. Они гораздо дешевле, при этом гарантировать их качество сложно. Зачастую неоригинальные и бюджетные варианты могут некорректно отображать уровень заряда или требовать длительной подзарядки.
- Премиум-аккумуляторы. Практически не уступают заводским, при этом могут стоить немного дешевле. Их легко заказать в интернет-магазинах для самостоятельной замены. Такие качественные аккумуляторы у производителей Pisen и MOXOM.
- Усиленный АКБ. Сравнительно недавно появившиеся батареи, которые обладают большей емкостью. Такой источник питания является аналоговым.
Право решать какой аккумулятор использовать остается за владельцем айфона. Но мы хотим напомнить, что установка сомнительных компонентов может негативно сказаться на работоспособности всего устройства.
Плюсы и минусы замены аккумулятора
Перед процедурой замены важно ознакомиться со всеми преимуществами и недостатками, чтобы понимать: риск оправдан или нет.
- Увеличение производительности айфона;
- Смартфон сможет держать заряд дольше без дополнительной подзарядки;
- Решится проблема с резким выключение;
- Улучшение внешнего вида. Если старый АКБ вздулся и деформировал крышку, рекомендуем еще и установить новую заднюю панель.
Но есть и минусы. Самый главный – потеря влагозащиты, которая является одной из фишек моделей iPhone X, XS, XR и всех следующих. Также, при установке неоригинальных комплектующих устройство может не определить его, в следствии чего выяснить данные о состоянии аккумулятора в настройках не получится.
Где лучше осуществить замену?
Если вашему телефону точно требуется смена аккумулятора и еще действует гарантия, оптимальным вариантом является обращение в сервисный центр Apple. Так вы сможете получить гарантию на работу. Кроме замены специалист проведет и диагностику для выявления проблем: почему аккумулятор вышел из строя.
При наличии должных навыков можно сменить аккумулятор и самостоятельно, что я и сделал.
Поэтапно, как я его поменял и что получил в итоге:
Итак, для замены использовался Премиум аккумулятор производителя Pisen. Ремонт осуществлялся на iPhone X. Проблема – стал быстро разряжаться, хватало при активном пользовании на 5 часов, максимальная емкость была 59%. Внешних дефектов на батарее и корпусе в последствии не было обнаружено.
Стоимость батареи на iphone X 1970 рублей (по скидке), замена своими силами, следовательно бесплатно.
Инструменты, которые использовал – Пластиковый вскрыватель, тонкий вскрыватель, тепловой фен, пластиковый и обычный пинцет, присоска, скотч (был в комплекте), отвертки PL1, PH00 и Y00, магнитный коврик для хранения винтов (можно и просто коробку, главное их не смешивать), пластиковая лопатка.
1. Для начала необходимо выключить iphone X, зажав кнопку блокировки и уменьшения громкости.
Далее, выкручиваем 2 винта у разъема зарядки Lightning и откладываем их в сторону.
Чтобы добраться до аккумулятора, нужно снять дисплей, в этой модели iPhone открывается именно так.
2. Грею феном края экрана смартфона, чтобы клей стал более податливый. Устанавливаю присоску на дисплей и медленно тяну вверх, чтобы образовался зазор между дисплеем и корпусом. В этот зазор помещаю «Вскрыватель». Этот инструмент состоит из прочного пластика и никак не повредит устройство. При необходимости можно взять более тонкий вскрыватель.
После того, как отсоединил экран, кладу его рядом, так как он все еще соединен шлейфом с устройством.
3. Теперь необходимо отключить аккумулятор. Для этого сначала снимаю защитный экран. Откручиваю 4 разных винта, откладываю на коврик. Главное не перепутать!
Закручена 4-мя винтами.
Под ней находится разъем, который мне и нужно отсоединить. Здесь тоже нужно быть аккуратным, использовать пластиковый инструмент «лопатку».
4. Теперь нужно еще отсоединить разъемы дисплея. Они находятся также рядом с разъемом АКБ. Для чего это нужно? Чтобы полностью уже снять наш дисплей и отложить в сторону.
5. Далее, чтобы удалить пластину кроншейна, откручиваю разные винты, чтобы добраться до коннектора и отсоединить его. Главное опять же не перепутать все эти разные винты и быть аккуратным.
6. Потом я снимаю полифонический динамик. Откручиваю винт, отсоединяю коннектор и, аккуратно приподнимая динамик, вытаскиваю его.
7. Далее убираю вибромоторчик. Также, откручиваю винт и отсоединяю коннектор, чтобы освободить деталь и аккуратно извлекаю вибромотор «Taptic Engine».
8. Теперь наконец можно вытащить аккумулятор! Так как он приклеен 4-мя выступами, нужно быть осторожным. После того, как я удалил «черные язычки» на этих выступах, вытягиваю клейкую ленту из-под АКБ. Снимаю старую батарею.
9. Теперь можно поставить новую батарею, у нас это аналог высокого качества или проще говоря «Премиум» от производителя Pisen. Беру двухсторонний скотч (который был в комплекте) и располагаю его на новом аккумуляторе, чтобы потом приклеить его к устройству. Я оставляю «язычки» скотча немного снаружи, чтобы при последующей замене, можно было также вытянуть клейкую ленту из-под батареи.
Теперь помещаю аккумулятор в задний корпус и слегка придавливаю, чтобы хорошо приклеился.
Далее я собираю айфон в обратной последовательности (Не стал расписывать, как я его собирал. Если нужно, могу подготовить полную инструкцию).
10. Включаю, чтобы проверить, верно ли осуществлен ремонт. В итоге он включился, все хорошо, заряд установленной батареи показывает 40%, но здесь как повезет, да это и не важно.
Проверяем, определил ли iPhone X аккумулятор. Для этого заходим в «Настройки» => Аккумулятор => Состояние аккумулятора. Видим максимальную емкость 99%. Следовательно, айфон определил новую батарейку. В большинстве случаев АКБ Pisen определяется смартфонами, так как этот производитель использует оригинальные чипы. Но, могут быть и случаи, когда не определит! Такое тоже было в моей практике, но крайне редко.
После заряда до 100% iphone X выдержал полный рабочий день активного пользования мессенджерами и социальными сетями, просмотр видео контента. К вечеру заряд был 20%, включился энергосберегающий режим. Результат отличный.
Важно понимать, что после ремонта пропала влагозащита, буквально в тот же момент, как я отсоединил дисплей. Даже не смотря на то, что посадил все на новый клей, теперь устройство нужно беречь от воды.
Источник
