Разбираем контроллер солнечной панели NITECORE FSP30

NITECORE FSP30 – складная солнечная панель с двумя USB–A и одним USB–C выходом. Производитель указывает суммарную мощность до 30 Вт, но это не так по многочисленным замерам, поэтому мне стало интересно почему так и можно ли это исправить.

Устройство контроллера

Внутри FSP30 установлена небольшая плата с несколькими DC/DC преобразователями. Солнечные секции подают на плату входное напряжение Vin. Контроллер преобразует его в привычные USB–режимы: 5 В для USB–A и 5/9 В для USB–C. Все выходы берут энергию из одного источника – солнечных секций панели. Поэтому при подключении нескольких устройств мощность не складывается по портам, а делится между ними.

Очень топорное решение, думал что будет какой-нибудь специализированный преобразователь для солнечных панелей. Для таких задач существуют солнечные DC/DC-преобразователи с MPPT или хотя бы с input voltage regulation / VINDPM. Их отличие от обычного USB buck-контроллера в том, что они следят не только за выходом 5/9/12 В, но и за входом от панели: не дают нагрузке «задушить» солнечную панель до слишком низкого напряжения.

USB–C канал на вскрытой плате обслуживает микросхема PL6520 рядом с дросселем 470. По логике работы и обвязке это контроллер китайский аналог IP6520: он работает как понижающий преобразователь, определяет подключение через CC–линии и выставляет напряжение быстрой зарядки. Такой контроллер может выдать 5 В или 9 В на USB–C, но для этого вход от солнечных секций должен быть выше выходного напряжения. Он не является повышающим преобразователем из 5 В в 9 В. Если входное напряжение панели проседает ниже рабочего порога, USB–C сбрасывает мощность или перезапускается.

Два USB–A выхода, судя по плате, имеют отдельные силовые каналы на микросхемах 5436A с дросселями 220. Они также получают от солнечной панели входное напряжение и делают 5 В для USB–A. Маленькая шестиногая микросхема 2513 рядом с самым левым портом работает с линиями D+ и D−. Она сообщает телефону или пауэрбанку, что USB–A порт является зарядным и может отдавать повышенный ток.

Получается такая схема

Главный практический предел FSP30 – USB–C на 18 Вт. Если подключён один пауэрбанк к USB–C и солнца хватает, панель может работать в режиме около 9 В 2 А. Это нормальный верхний сценарий для этого контроллера. Если дополнительно подключить устройство к USB–A, второй преобразователь начинает забирать энергию с той же входной шины. Вход Vin проседает, и USB–C снижает ток. В итоге суммарная мощность может остаться около тех же 15–18 Вт, просто часть уйдёт в USB–A.

Из этого делаем вывод, что скорее всего паспортные 30 Вт относятся к солнечной панели как к источнику энергии в хороших лабораторных условиях, а не ко всей системе целиком. Проверим эту гипотезу.

Считаем максимальную мощность с панелей

Мощность солнечной панели можно грубо оценить по площади. Размер одной секции FSP30 – примерно 27 × 15,5 см. Переводим в метры: 0,27 × 0,155 м. Получается около 0,042 м² на одну секцию.

У панели четыре секции. Значит общая площадь получается примерно 0,167 м². Это площадь прямоугольников, которые видны снаружи. Активная площадь самих солнечных ячеек обычно немного меньше.

Для простого расчёта берут яркое прямое солнце как 1000 Вт на квадратный метр. Это лабораторный ориентир, при котором обычно сравнивают солнечные панели. На четыре секции FSP30 в таком режиме падает примерно:

0,167 м² × 1000 Вт/м² = 167 Вт солнечной энергии.

Солнечная панель не превращает весь этот свет в электричество. Производитель указывает КПД ячеек 24%. Это значит, что в электричество превращается примерно четверть падающей энергии. Считаем:

167 Вт × 0,24 ≈ 40 Вт.

Эти 40 Вт – верхняя оценка по геометрии и КПД ячеек. В реальности часть площади не является активной, ячейки нагреваются, угол к солнцу редко идеальный, часть света теряется на покрытии, а дальше энергия проходит через USB–контроллер. Поэтому паспортные 30 Вт выглядят правдоподобно как максимум солнечной части панели в хороших условиях.

КПД электроники

Мы уже разобрались, что у FSP30 паспортные 30 Вт относятся к солнечной части панели. USB–C порт ограничен своими режимами: 5 В 3 А или 9 В 2 А. Это максимум 15 Вт в режиме 5 В и 18 Вт в режиме 9 В. Поэтому один пауэрбанк через USB–C не сможет получить больше примерно 18 Вт, даже при хорошем солнце.

Электроника тоже тратит часть энергии на нагрев. Для USB–C канала на контроллере класса IP6520 можно считать хороший КПД около 90–94%. Это значит, что для выдачи 18 Вт на USB–C контроллеру нужно получить от солнечной панели примерно 19–20 Вт. При КПД 93,8% нужно около 19,2 Вт на входе. При КПД 90% нужно ровно 20 Вт.

USB–A каналы обычно менее выгодны по КПД, потому что там стоят отдельные 5–вольтовые преобразователи. Для них разумно закладывать около 85–90% в реальных условиях. Если два USB–A суммарно отдают 5 В 3,1 А, это около 15,5 Вт на выходе. При КПД 90% им нужно около 17,2 Вт от солнечной панели. При КПД 85% – около 18,2 Вт.

Одновременная зарядка через USB–C и USB–A делит один общий запас мощности. Например, в хорошем солнце панель может давать контроллеру 20–25 Вт. Один USB–C пауэрбанк может забрать почти весь доступный лимит и работать около 18 Вт. Если параллельно подключить устройство к USB–A и оно возьмёт 5 В 1 А, то есть 5 Вт, USB–C уже может снизиться с 18 Вт до 12–15 Вт. При облаках падение будет сильнее.

Для набора максимальной энергии лучше использовать один основной потребитель через USB–C. Лучший вариант – пауэрбанк с поддержкой USB–C PD 9 В 2 А. В таком режиме FSP30 может работать ближе к своему реальному пределу по USB–C. Зарядка двух–трёх устройств сразу удобна, но обычно хуже по суммарной стабильности: порты спорят за входную мощность, напряжение панели проседает, быстрая зарядка может сбрасываться.

Практический расчёт для пауэрбанка такой. Пауэрбанк 10 000 мА·ч обычно имеет внутри около 37 Вт·ч энергии. Если он заряжается от USB–C мощностью 18 Вт, а собственные потери пауэрбанка принять за 15%, то полезная мощность зарядки внутри аккумулятора будет около 15 Вт. Минимальное время получается около 2,4 часа. С учётом снижения тока в конце заряда и нестабильного солнца в походе разумнее ожидать 3–4 часа хорошего солнца.

Для пауэрбанка 20 000 мА·ч внутренняя энергия около 74 Вт·ч. При тех же 18 Вт от USB–C и 85% эффективности внутри пауэрбанка минимальное время получается около 4,8 часа. В реальности это скорее 6–8 часов хорошего солнца, потому что солнце меняется, панель греется, угол к солнцу уходит, а зарядка в конце замедляется.

Угол к солнцу влияет сильнее, чем разница между 90% и 94% КПД контроллера. Панель даёт максимум, когда её поверхность почти перпендикулярна лучам. Если панель лежит плоско, а солнце стоит сбоку, мощность заметно падает. В походе имеет смысл поправлять угол каждые 30–60 минут, особенно утром и вечером.

Тень на одной секции сильно портит результат. Даже узкая тень от ветки, ремня, палаточной оттяжки или кабеля может заметно снизить мощность всей панели. Для FSP30 лучше выбирать место без движущейся тени и класть кабель так, чтобы он не проходил поверх солнечных ячеек.

Температура тоже снижает отдачу. На ярком солнце панель нагревается, а контроллер дополнительно греется от потерь. При 18 Вт на USB–C электроника может рассеивать около 1–2 Вт тепла. При работе нескольких портов тепла становится больше. Пауэрбанк лучше держать в тени, а не в закрытом чёрном кармане панели.

Рабочая схема для похода простая: днём заряжать один хороший PD–пауэрбанк через USB–C, вечером заряжать от него телефон, фонарь, навигатор и часы. USB–A использовать для маломощных устройств или как запасной вариант.

При короткой стоянке лучше не делить панель между несколькими устройствами, потому что один пауэрбанк через USB–C обычно соберёт больше энергии и будет работать стабильнее.

Для планирования энергии стоит считать так: в хорошее солнце FSP30 может давать около 10–18 Вт на USB–C. В идеальных условиях USB–C упирается в 18 Вт. При облаках, плохом угле, нагреве или одновременной нагрузке на USB–A мощность падает. Паспортные 30 Вт полезны как указание класса панели, но для походного расчёта лучше опираться на реальный USB–диапазон 10–18 Вт.

Фото вскрытия панели

Защита от влаги почти никакая. Защищает только пропитанная ткань , из которой сделан карман, в которой установлен контроллер.