FNIRSI 2C53T у меня довольно быстро перешел из категории «прикольная китайская штука» в категорию инструмента, который постоянно лежит на столе. Я пользуюсь им почти каждый день. Нужно быстро посмотреть питание, прозвонить плату, проверить какой‑нибудь сигнал, ткнуться осциллографом или выход преобразователя... В одном корпусе здесь мультиметр, двухканальный осциллограф и генератор, все работает от встроенного аккумулятора и при этом прибор достаточно маленький, чтобы постоянно держать его под рукой.
Сам прибор мне нравится, поэтому желания писать очередную статью в жанре «китайцы опять сделали мусор» у меня нет. Измерительная часть для моих задач вполне удобная, интерфейс тоже. Проблемы начались там, где я их сначала вообще не ожидал увидеть — в питании. От аккумулятора 2C53T работает нормально, но если пользоваться им постоянно, рано или поздно хочется сделать совершенно естественную вещь: воткнуть USB‑C и продолжить работу, пока прибор заряжается.
И вот тут оказалось, что USB‑C на корпусе дает несколько более философское понимание слова «зарядка».
600 мА на всех
На плате за заряд аккумулятора отвечает TC4056A. Это обычный линейный контроллер заряда одной Li‑ion банки, родственник всем известного TP4056. Он работает по стандартной схеме CC/CV: сначала заряжает аккумулятор постоянным током, затем около 4,2 В переходит в режим постоянного напряжения и завершает заряд по падению тока.
Ток задается резистором RPROG. В моем приборе рядом с контроллером стоял резистор с маркировкой 30B, то есть 2,00 кОм. С ним фактический зарядный ток получается примерно 580–600 мА. Нюанс здесь в том, что 600мА контроллеру по сути плевать куда отдавать — в аккумулятор или в прибор — выход у него один.
Если прибор выключен, здесь все прекрасно. Контроллер отдает свои примерно 600 мА аккумулятору, тот заряжается, никаких вопросов. Но включенный 2C53T сам потребляет примерно те же 600 мА. И вот здесь китайская схемотехника достигает очень гармоничного состояния: зарядный контроллер способен дать около 600 мА, прибор хочет около 600 мА, а аккумулятору достаются крошки со стола.
Я несколько раз проверял это именно в рабочем режиме. Подключаешь USB, прибор продолжает работать, внешне все выглядит правильно, но заряд аккумулятора практически стоит на месте. Если прибору в какой‑то момент нужно больше, недостающее уже приходит из аккумулятора. Поэтому возможен особенно прекрасный режим: зарядка подключена, а батарея все равно понемногу разряжается.
Таким образом, USB‑кабель в штатной схеме выполнял в основном функцию моральной поддержки. Час попользовался — положил на три часа на полочку — заряжаться.
И это была еще не главная проблема
Медленная зарядка сама по себе меня бы, наверное, не заставила вскрывать прибор. Можно зарядить его ночью и продолжать жить, а если прибор нужен постоянно — просто не снимать его с зарядки. так ведь?:)
FNIRSI внезапно начал видеть переменное напряжение там, где его не было.
В моем случае показания доходили примерно до 70 В AC.
Причем это были не какие‑то случайные единицы на последнем разряде. AUTO мог сам переключиться в AC, прибор вполне уверенно показывал десятки вольт. Отключаешь USB — показания исчезают. Подключаешь зарядник обратно — возвращаются.
То есть от аккумулятора мультиметр измерял мою схему. С подключенным сетевым БП он начинал параллельно измерять внутренний мир зарядного устройства.
Причина здесь вполне обычная. У сетевого импульсного блока есть гальваническая развязка между первичной и вторичной стороной, но между ними остается паразитная емкость трансформатора, а иногда добавляется и специально установленная емкостная связь для подавления помех. В результате вторичная USB‑земля может плавать относительно сети и PE. Через эту емкость протекает очень маленький переменный ток. Для обычной нагрузки он почти ничего не значит, а вход мультиметра имеет сопротивление порядка десятков мегаом, поэтому даже микротока хватает, чтобы получить на дисплее десятки вольт.
И здесь штатная схема FNIRSI очень удачно помогает проблеме проявиться во всей красе: USB GND напрямую становится землей самого прибора. В итоге через зарядный кабель весь мультиметр получает синфазную связь с сетевым блоком питания.
Получается занятная конструкция. Аккумулятор почти не заряжается, потому что прибор съедает весь доступный зарядный ток. А пока USB подключен, тот же провод еще и притаскивает в высокоомную измерительную часть сетевую наводку.
Простая часть проблемы — увеличиваем ток зарядки
Начал я с самого очевидного места — с резистора RPROG у TC4056A.
Сначала я просто посмотрел, какие номиналы вообще имеет смысл попробовать. Сильно уменьшать сопротивление не хотелось: TC4056A линейная, поэтому каждый дополнительный миллиампер превращает разницу между входными 5 В и напряжением аккумулятора в тепло прямо на микросхеме. Теоретически можно было полезть ближе к 1 А, но устраивать внутри небольшого корпуса соревнование между зарядником и паяльником мне не хотелось.
В итоге остановился на 1,5 кОм.
После замены ток поднялся чуть выше 800 мА. Именно этого я и хотел: не «быстрая зарядка» ради красивой цифры, а небольшой запас сверх собственного потребления прибора. Теперь включенный FNIRSI уже не забирал себе вообще все, что способен отдать зарядный контроллер, и аккумулятор наконец начал реально получать ток во время работы.
Простая часть проблемы на этом была решена.
Оставалась более неприятная: как только к прибору подключался обычный сетевой USB‑блок, мультиметр начинал видеть фантомные десятки вольт. И вот там заменой одного резистора отделаться уже не получилось.
Почему 50 пФ оказались важны — решаем основную проблему
С емкостью в таких разговорах вообще часто возникает путаница. Конденсатор постоянный ток не проводит, поэтому интуитивно хочется считать его разрывом цепи. Для переменного сигнала это уже далеко не разрыв. Его можно грубо представить как частотно‑зависимое сопротивление, точнее реактивное сопротивление:
Xc = 1 / (2πfC)
Чем больше емкость и чем выше частота, тем легче переменной составляющей через нее пройти. Например, для 1 нФ на 50 Гц получается около 3,2 МОм. Для 50 пФ уже около 64 МОм. А вход мультиметра как раз высокоомный, поэтому мегомы здесь совсем не означают «тока нет». Они вместе образуют делитель, через который микроскопический ток вполне способен создать на входе измерителя десятки вольт.
И это еще если смотреть только на сетевые 50 Гц. В импульсном блоке питания полно гораздо более высокочастотных составляющих, а с ростом частоты сопротивление той же самой емкости становится еще меньше. Поэтому мне нужно было не просто разорвать провод между USB GND и землей FNIRSI. Нужно было сделать так, чтобы емкостная связь между двумя сторонами тоже оставалась минимальной.
Отсюда и главный параметр при выборе изолированного DC/DC. Сначала я, конечно, смотрел на очевидное: вход 5 В, выход 5 В, мощность хотя бы с запасом относительно уже увеличенного тока зарядки. Но довольно быстро стало понятно, что строчка «изоляция 1500 В» в этой задаче почти ничего не говорит о том, насколько хорошо преобразователь уберет мои фантомные 70 В. Он может прекрасно выдерживать киловольты постоянного напряжения и при этом иметь достаточно большую паразитную емкость между первичной и вторичной сторонами.
А мне была нужна именно маленькая проходная емкость.
В итоге я остановился на TRACO TMR 6–0511. Он дает 5 В на выходе, способен отдать до 1,2 А при мощности 6 Вт, а самое интересное для этой переделки — емкость между входом и выходом около 50 пФ. Вот эти 50 пФ меня в итоге интересовали гораздо сильнее красивых киловольт электрической прочности.
Стоимость преобразователя составила половину от стоимости прибора. Действительно немало, но мне нравится этот прибор именно настолько, чтобы заплатить.
Оставалось только каким‑то образом встроить ее внутрь FNIRSI и действительно разорвать все пути между USB‑C и внутренней землей прибора. Вот там уже началась работа под микроскопом.
Первым делом осмотрел, с чем имеем дело — и тут получилось довольно удачно. Крупные контакты VCC и GND, а из четырех контактов корпуса разъема производитель подключил к полигону только один. То есть задача оставалась в том, чтобы порезать дорожки от разъема, и в разрыв вставить наш DC/DC.
Дорожки отрезал, и покрыл лаком.
Не забываем про резисторы с обратной стороны корпуса — токоограничивающие для DATA+ и DATA‑, а так же 5.1k CC1 и CC2. Первые я просто убрал, лишив себя возможности быстрой перепрошивки прибора, но за все время владения я его ни разу не шил и не собираюсь — закрываю на это глаза. а вот CC1 и CC2 нужно оставить, они участвуют в процессе включения зарядки, помогают определить ориентацию разъема и все такое — только сдвинем их и подключим именно к первичной земле, иначе вся идея изоляции разобьется от 5.1k связь:)
Далее час мучился с пайкой и укладкой проводников к и от DC/DC. Фото процесса не прилагаю, не шибко оно интересно. А вот результат с радостью покажу.
Как видим на фото — весь контур принимает около 1А. из этого 1А примерно 150мА это переходные процессы преобразователя, 600мА заберет прибор, и 200мА останется на зарядку. если прибор выключен, то все 800мА идут на зарядку.
По опыту с работы могу сказать, что модули TRACO могут сильно греться — но тут нагрев оказался не критичен. Сам модуль зарядки более 45 градусов не грелся, так что насчет него я не переживаю.
Итог и проверка прибора
В итоге получилось именно то, чего я хотел от этого прибора с самого начала. Теперь его можно спокойно держать подключенным к сетевому питанию, пользоваться мультиметром в обычном режиме и не ловить фантомные десятки вольт от зарядника. Аккумулятор при этом наконец действительно заряжается во время работы, а не наблюдает, как весь доступный ток съедает сам 2C53T.
Покупка TRACO за примерно 5000 рублей в итоге себя оправдала. Да, выглядит это слегка абсурдно: поставить в прибор модуль, который стоит соизмеримо с самим прибором. Но здесь я платил за вполне конкретный параметр — очень маленькую проходную емкость. И в отличие от многих красивых цифр в даташитах, эти 50 пФ реально решили мою проблему.
После всей переделки у меня остался только один вопрос: зачем китайцы изначально ограничили заряд примерно 600 мА??
Может быть, этот номинал перекочевал из другой платы. Может быть, кто‑то выбрал типовое значение и дальше уже не проверял работу включенного прибора. Может быть, на этапе разработки вообще тестировали только сценарий «выключил и поставил на зарядку».
Но в готовом устройстве это выглядит просто нелогично. Есть прибор, который потребляет около 600 мА, и рядом стоит зарядный контроллер, ограниченный примерно теми же 600 мА. Результат был вполне предсказуем еще до включения.
С гальванической развязкой история понятнее. Хороший изолированный DC/DC с действительно низкой проходной емкостью стоит денег, поэтому в массовый прибор его вполне могли не поставить из‑за себестоимости. Здесь хотя бы прослеживается логика.
А вот с зарядным током китайцы, похоже, просто промахнулись.
И, пожалуй, это лучше всего описывает весь FNIRSI 2C53T. Сам прибор достаточно хороший, чтобы я не хотел менять его на другой. Но в нескольких местах возникает ощущение, что разработку закончили буквально за один вечер до того момента, когда инженер должен был начать пользоваться собственным устройством.
