فست شارژ یا شارژ سریع چیست
با افزایش روزافزون دستگاه‌های هوشمند و وسایل الکترونیکی همراه، نیازبه شارژر سریع بیش‌از پیش احساس می‌شود، امروزه چالش اصلی برای مهندسان، تأمین انرژی موردنیاز این وسایل است. یکی‌از گزینه‌های پیش‌رو، استفاده‌از باطری است. باطری‌ها در سال‌های اخیر جهش‌های تکنولوژیک خوبی داشته‌اند که باعث‌شده آنها اندازه‌ی کوچک‌تر و ظرفیت بیشتری داشته‌باشند. افزایش ظرفیت باطری‌ها باعث می‌شود که مدت‌زمان استفاده‌ی آنها بدون نیاز به شارژ، بیشتر شود و کوچک‌شدن اندازه‌ي باطری‌ها به سبک و کوچک‌ترشدن دستگاه‌های همراه کمک می‌کند. اما چالش جدیدی ایجاد می‌شود که مدت‌زمان انتظار برای شارژ باطری است. در این مقاله سعی‌داریم نحوه‌ی ساخت یک شارژر سریع را بااستفادهاز آی‌سی CHY103 آموزش‌دهیم.
باافزایش ظرفیت باطری‌ها قاعدتاً مدت‌زمانی که برای شارژ آنها لازم‌است نیز بیشتر می‌شود. فرض‌کنید درحالی‌که برای رسیدن به جلسه‌ای در خارج‌از شهر عجله دارید و باید هرچه سریع‌تر خود را به جلسه برسانید و گوشی هوشمند شما نیز تنها ۵درصد شارژ دارد. برای شارژکامل بااستفادهاز شارژرهای معمولی حداقل نیاز به ۲ ساعت زمان و برای شارژ تا مرز ۷۰درصد نیز به‌زمانی حدود یک‌ساعت‌ونیم نیاز است. البته توجه‌کنید که در گوشی‌هایی با ظرفیت باطری بالاتر این زمان به‌طبع زیادتر خواهدبود. قاعدتاً صرف چنین زمانی باعث خواهد‌شد که جلسه را از‌دست بدهید.
اما راه چاره چیست
تکنولوژی‌ای که درسال ۲۰۱۳ برای اولین‌بار توسط شرکت کوالکام (Qualcomm) مطرح‌و همزمان با‌ارائه‌ی پردازنده Snapdragon 600 از آن پرده‌برداری شد، تکنولوژی شارژ سریع یا فست شارژ است که به‌شما امکان می‌دهد که باطری گجت همراه خود را در سریع‌ترین زمان ممکن به‌اندازه‌ی قابل‌قبولی شارژکنید.
شرکت کوالکام تاکنون چهارنسل از فست‌شارژ را معرفی‌کرده و توسعه‌داده‌است.
همان‌طورکه می‌دانید زمان شارژ رابطه مستقیمی با توان پمپ‌شده به دستگاه دارد. در نسخه‌ی اولیه از این تکنولوژی، شارژر تنها قادربه ارائه‌ی ۱۰ وات توان بود و در ورژن‌دوم این میزان تا ۱۸ وات افزایش پیدا کرد. در تصویر‌زیر می‌توانید ورژن‌های ارائه‌شده از شرکت کوالکام، به‌همراه مختصری توضیحات را مشاهده‌کنید:
درمورد +Quick Charge 4، آخرین تکنولوژی معرفی‌شده از سوی شرکت کوالکام، ادعاشده که: ۵ دقیقه شارژ برای ۵ ساعت استفاده‌از گجت همراه
فست شارژ (Quick Charge) چطور کار می‌کند
غیر‌از کوالکام شرکت‌های دیگری هم هستند که تکنولوژی Quick Charge را توسعه‌داده‌اند، اما به‌دلیل پیش‌قدم‌بودن شرکت کوالکام و استفاده‌از تجهیزات رایج (به‌عنوان‌مثال سیم مورداستفاده)، در این مقاله سیستم پیشنهادی کوالکام را بررسی می‌کنیم.
چیزی‌که مشخص‌است، فرایند شارژ سریع‌تر تنها با اعمال توان بیشتر به دستگاه ممکن خواهدبود. برای بالابردن توان همان‌طور که آگاه هستید دو راه وجوددارد: زیادکردن جریان اعمالی یا بالابردن ولتاژ. در نسخه‌ی اولیه از Quick Charge ارائه‌شده، جریان شارژ را تا ۲ آمپر بالا بردند که باعث انتقال توان ۱۰ واتی می‌شد. مسائل و محدودیت‌های زیادی برای بالابردن جریان مطرح است؛ یکی‌از اساسی‌ترین محدودیت‌ها، مقاومت سیم مورداستفاده است. با بالارفتن جریان، افت ولتاژ صورت‌گرفته روی سیم بیشتر خواهد‌شد و حتی در نمونه‌های نامرغوب از سیم شارژر به‌دلیل مقاومت بالای سیم اصلاً امکان عبورجریان بیش‌از ۱ آمپر نیست و ازطرفی بالابردن جریان، باعث ایجاد تلفات بیشتر در المان‌های الکترونیکی و تولید گرمای بیشتر می‌شود.
بنابر دلایل ذکرشده، در نسخه‌ی دوم به‌جای افزایش جریان، ولتاژ افزایش پیدا‌کرد. با افزایش ولتاژ، توان نیز افزایش پیدا می‌کند؛ با‌این تفاوت‌که مقدار مقاومت سیم شارژر تأثیر کمتری در فرایند شارژ خواهد‌داشت و گرمای کمتری ایجاد می‌شود و امکان کوچک‌تر کردن شارژها نیز وجود دارد. در ورژن‌دوم امکان انتخاب ولتاژ بین ولتاژهای ۵، ۹ و ۱۲ توسط گجت وجود دارد. در ورژن‌سوم نیز، امکان تعیین ولتاژ دربازه‌ی ۳.۶ تا ۲۰ برای گجت مورداستفاده وجوددارد.
شارژر چطور ولتاژ مناسب را انتخاب می کند
همان‌طورکه در مقاله‌ای تحت‌عنوان “همه چیز در مورد مدار شارژر باطری های لیتیوم یون” به بایدها و نباید‌های فرایند شارژ باطری‌های نیکل کادمیم پرداختیم، یکی‌از پارامترهای مهم در‌خصوص شارژ انواع باطری، مسئله‌ی دما است. با شارژشدن باطری، گرما ایجاد می‌شود و اگر کنترل‌نشود که باطری با چه سرعتی افزایش دما دارد یا دمای آن تا چه‌اندازه افزایش پیداکرده‌است، موجب آسیب‌دیدن باطری و حتی انفجار آن خواهد‌شد.
جدول‌فوق نشان‌دهنده‌ی افزایش دمای باطری باتوجهبه ساختار شیمیایی آن و نوع فرایند شارژ است.
باتوجهبه خطرات افزایش دمای باطری، لازم‌است درصورت افزایش دما، توان اعمال‌شده ازسوی شارژر کاهش پیدا‌کند تا احتمال صدمه‌دیدن باطری کم‌شود.
توضیح در خصوص پارامتر C ذکر شده در جدول
اگر یک باتری ۳.۷ولت و ۲۰۰۰ میلی امپر ساعت داشته‌باشید و ازش ۲ امپر جریان‌بکشید در عرض یک ساعت تموم‌میشه ولی اگر تصمیم‌دارید که ۴ امپر جریان بکشید اول باید ظرفیت تخلیه باتری رو نگاه‌کنید. ظرفیت تخلیه × جریان (امپر ساعت) = مقدار حداکثر جریانی که میشه از باتری کشید. همچنین پارامتری برای شارژکردن باتری هم صادقه. یعنی هر باتری یک ظرفیت تخلیه و یک ظرفیت شارژ داره. یعنی اون باتری که مثالشو زدم از ظرفیت شارژش ۵ باشه میتونید با جریان ۱۰ امپر شارژکنید. اکثر باتری‌های لیتیوم پلیمری که در کواد کوپترها استفاده میشه ظرفیت شارژی 1C دارن. بعضی ها هم 0.1C
اما چطور شارژ و گجت هوشمند در ارتباط هستند و گجت قادر به کنترل ولتاژ شارژر است
همان‌طورکه می‌دانید کابل‌های USB دارای چهار رشته‌سیم هستند که دو رشته سیم به‌نام‌های +D و -D وظیفه‌ی حمل اطلاعات را بر‌عهده‌دارند. در فرایند شارژ وقتی‌که گوشی هوشمند یا گجت موردنظر تشخیص‌داد که شارژر متصل‌شده‌است، یا اعمال سطح ولتاژهای مختلف برروی این دو رشته‌سیم قادربه کنترل ولتاژ خروجی شارژ است. شارژر در ابتدای فرایند شارژ، این دو رشته را به‌هم اتصال کوتاه می‌کند و به‌این صورت گوشی متوجه می‌شود که به شارژر متصل‌شده‌است.
عکس فوق ولتاژ خروجی آداپتور شارژ سریع را نشان می‌دهد که باتوجهبه سطح ولتاژهای +D و -D ولتاژ خروجی را کنترل می‌کند. توجه‌داشته‌باشید که در Quick Charge 3.0 دو کلاس کاری وجوددارد که تنها تفاوت آنها در بیش‌ترین ولتاژ خروجی است. کلاس B قادر است تا ۲۰ ولت را تأمین کند.
چگونگی ساخت و پیاده‌سازی فست شارژر
برای ساخت یک شارژر سریع نیازبه یک مدار کنترل ولتاژ خروجی است که باتوجهبه سطح ولتاژهای اعمال‌شده به +D و -D ولتاژ خروجی را کنترل‌کند و بخش‌دیگری برای ایجاد ولتاژ، موردنیاز است.
برای بخش‌دوم مدار می‌توان از انواع رگولاتورهای موجود در بازار استفاده‌کرد. توصیه می‌کنیم که از رگولاتورهای سوییچینگ با فرکانس سوییچ بالا استفاده‌کنید. در این پروژه ما از LM2596 استفاده می‌کنیم.
LM2596، یک آی‌سی سویچینگ با فرکانس سوییچ ۱۵۰ کیلوهرتز و جریان‌دهی تا سقف ۳ آمپر است و نیاز به المان‌های زیادی برای راه‌اندازی ندارد و درنوع Adj، قادراست ولتاژخروجی را بااستفادهاز یک شبکه‌ی مقاومتی کنترل‌کند. شاید بهترین انتخاب نباشد ولی به‌لحاظ در‌دسترس‌بودن و قیمت، قطعاً بهترین انتخابی است که می‌توان داشت.
بخش‌دوم و درواقع اصلی‌ترین بخش، قسمت کنترل است؛ این‌که مداری طراحی‌کنیم که قادرباشد باتوجهبه نیاز گجت مورداستفاده، ولتاژ خروجی را کنترل‌کند. شاید بتوان بااستفادهاز چند مقایسه‌کننده آنالوگ و چند آی‌سی رفرنس و مقداری گیت دیجیتال آن‌را طراحی‌کرد یا از یک میکروکنترلر کمک گرفت؛ اما راه‌های ساده‌تری هم وجوددارد و آن‌هم استفاده از آی‌سی‌های طراحی‌شده برای این‌منظور است. خوشبختانه آی‌سی مذکور به‌تازگی وارد بازار ایران نیز شده‌است و می‌توان آن‌را با یک جستجوی اینترنتی ساده پیدا و تهیه‌کرد.
معرفی آی‌سی کنترل شارژر سریع
آی‌سی کنترل شارژ مورد‌استفاده‌ی ما در این پروژه، CHY103 است که توسط شرکت Power integrations تولید‌شده‌است . آی‌سی مذکور قادربه پشتیبانی هر دو کلاس Quick Charge 3.0 است و توان مصرفی خیلی کمی درحدود ۱ میلی‌وات دارد.
آی‌سی به‌گونه‌ای طراحی شده‌است که قادرباشد به‌صورت مستقیم با آی‌سی‌های فلای بک TinySwitch و TopSwitch در ارتباط باشد. در‌صورتی‌که بخواهیم از دیگر آی‌سی های رگولاتور در کنار این آی‌سی استفاده‌کنیم نیازاست که شبکه فیدبک را به‌نحوی طراحی‌کنیم که مشکلی در برقراری ارتباط پیش نیاید.
همان‌طورکه در بلوک دیاگرام آی‌سی مشاهده می‌کنید، این آی‌سی برای تشخیص سطح ولتاژ موردنیاز از ۴ عدد مقایسه‌کننده استفاده می‌کند و تصمیم‌گیری درمورد ولتاژ خروجی باتوجهبه وضعیت آنها، در Control LOGIC اتفاق می‌افتد.
مدار پیشنهادی برای استفاده‌از این آی‌سی را می‌توانید درتصویر‌زیر مشاهده‌کنید:
پایه‌ی شماره‌ی ۲ یا FA/P را می‌توان برای خارج‌کردن آی‌سی از مدار استفاده‌کرد. درمواقعی‌که اخلالی در رگولاتور اصلی پیش بیاید یا به هردلیلی قصدداشته‌باشیم که آی‌سی CHY103 را از مدار کنترل فیدبک خارج‌کنیم، می‌توانیم با تحریک پایه FA/P این‌کار را انجام‌دهیم.
با انتخاب مقاومت مناسب برای پایه‌ی شماره‌ی ۷ یا REFERENCE، می‌توان بین کلاس A و B یکی را برای مدل شارش انتخاب کرد. قبلاً اشاره‌کردیم که کلاس B در ورژن‌سوم از شارژ سریع کوالکام، قادربه تأمین ولتاژ تا سقف ۲۰ ولت است. پایه‌ی شماره‌ی ۸ یا BYPASS برای تشخیص undervoltage و همچنین تأمین ولتاژ موردنیاز برای کارکرد آی‌سی است.
پایه‌ی شماره‌ی یک یا TEMPERATURE MONITOR، برای رصد حرارت ایجاد‌شده توسط مدار است و درصورت گرمای بیش‌ازحد می‌تواند با اعمال توان کمتراز آسیب‌دیدن مدار جلوگیری کند. برای استفاده‌از این پایه تنها نیاز است که آن‌را یک NTC مناسب وصل‌کنید.
درنهایت پایه‌ی شماره‌ی ۲ یا FEEDBACK DRIVE، پایه‌ای است که با وصل‌شدن به مسیر فیدبک رگولاتور اصلی، کار کنترل و نظارت بر ولتاژ خروجی را انجام می‌دهد. اگر به بلوک دیاگرام درون آی‌سی توجه‌کنید، این پایه به یک مقایسه‌کننده با ولتاژ Vth متصل‌شده و ازطرفی می‌تواند جریان IT از آن کشیده‌شود یا به آن اعمال شود؛ همین مکانیسم کمک می‌کند که این آی‌سی با دست‌کاری ولتاژ موجود برروی رفرنس رگولاتور، باعث افزایش یا کاهش ولتاژ خروجی شود.
مدار شارژر سریع
مدار طراحی‌شده شارژر سریع، براساس آی‌سی LM2596 و CHY103 است. در این طراحی قسمت تشخیص خطا درنظر گرفته‌نشده و سنسور حرارتی آن حذف شده‌است و نیازی‌به مونتاژ R5 نیست.
مهم‌ترین مسئله در طراحی این گونه مدار‌ها، محاسبه‌ی مقادیر مناسب برای شبکه‌ي فیدبک است. باتوجهبه این‌که ولتاژ رفرنس داخلی آی‌سی LM2596 معادل ۱.۲۳ است و ولتاژ رفرنس آی سی CHY103 معادل ۱.۲۶۵، وجود این تناقض کوچک تمام معادلات اولیه برای طراحی بی‌دردسر را برهم‌میزند.
ازطرفی جریانی که آی‌سی CHY103 برای کنترل ولتاژ خروجی به مسیر فیدبک اعمال می‌کند، جریان ناچیز ۲ میکروآمپر است که باید حتماً دقت‌داشته‌باشید که مقادیر مسیر فیدبک را به‌نحوی درنظربگیرید که جریان اعمال‌شده قادر باشد تغییرات دلخواه را در خروجی به‌وجود‌بیاورد. در مسیر فیدبک ما از سه مقاومت R2 ، R3 و R4 استفاده کرده‌ایم. باتوجهبه جریان ۲ میکروآمپر، بهتراست مجموع مقاومت‌ها در حدود ۱۳۴ کیلواهم باشد.
ما از مقادیر ۳۳ کیلو و ۱ کیلو برای جبران اختلاف بین ولتاژهای فیدبک دو آی‌سی استفاده کرده‌ایم؛ به‌این‌صورت ولتاژ مبنا برای آی‌سی CHY103 معادل ۱.۲۶۵ و ازنظر LM2596 معادل ۱.۲۳ خواهدبود.
نمونه‌ی ساخته‌شده شارژر سریع
درتصویرفوق نمونه‌ی کامل‌شده از این شارژر سریع را مشاهده می‌کنید که درحال شارژ گوشی HTC M9 است.
شارژر فوق با گوشی‌هایی از برند LG ، samsung و HTC تست‌شده و بدون هیچ مشکلی فرایند شارژ سریع را انجام می‌دهد.
درزیر نمودار شارژ گوشی HTC One M9 را مشاهده می‌کنید:
دانلود شماتیک و PCB شارژر سریع
شماتیک و PCB بااستفادهاز نرم‌افزار altium designer رسم‌شده‌اند و به‌صورت رایگان و متن‌باز در اختیار کاربران محترم سیسوگ قرار می گیرد.
منبع: سیسوگ
