فست شارژ یا شارژ سریع چیست؟

با افزایش روز افزون دستگاه‌های هوشمند و وسایل الکترونیکی همراه، نیاز به شارژر سریع یا فست شارژ پیش از پیش احساس می‌شود، امروزه چالش اصلی برای مهندسان، تأمین انرژی موردنیاز این وسایل است.

یکی از گزینه‌های پیش رو، استفاده از باطری است. باطری‌ها در سال‌های اخیر جهش‌های تکنولوژیک خوبی داشته‌اند که باعث شده آن‌ها اندازه‌ی کوچک‌تر و ظرفیت بیشتری داشته باشند. افزایش ظرفیت باطری‌ها باعث می‌شود که مدت‌زمان استفاده‌ی آنها بدون نیاز به شارژ، بیشتر شود و کوچک شدن اندازه‌ی باطری‌ها به سبک و کوچک‌تر شدن دستگاه‌های همراه کمک می‌کند.

اما چالش جدیدی ایجاد می‌شود که مدت‌زمان انتظار برای شارژ باطری است. در این مقاله سعی داریم نحوه ساخت یک شارژر سریع را با استفاده از آیسی CHY103 آموزش دهیم.

با افزایش ظرفیت باطری‌ها قاعدتاً مدت‌زمانی که برای شارژ آن‌ها لازم است نیز بیشتر می‌شود. فرض کنید درحالی‌که برای رسیدن به جلسه‌ای در خارج از شهر عجله دارید و باید هرچه سریع‌تر خود را به جلسه برسانید و گوشی هوشمند شما نیز تنها 5 درصد شارژ دارد.

برای شارژ کامل با استفاده از شارژرهای معمولی حداقل نیاز به 2 ساعت زمان و برای شارژ تا مرز 70 درصد نیز به زمانی حدود یک ساعت و نیم نیاز است. البته توجه کنید که در گوشی‌هایی با ظرفیت باطری بالاتر این زمان به طبع زیادتر خواهد بود. قاعدتاً صرف چنین زمانی باعث خواهد شد که جلسه را از دست بدهید. اما راه چاره چیست؟

تکنولوژی‌ای که در سال 2013 برای اولین بار توسط شرکت کوالکام (Qualcomm) مطرح و همزمان با ارائه‌ی پردازنده Snapdragon 600 از آن پرده‌برداری شد، تکنولوژی شارژ سریع یا فست شارژ است که به شما امکان می‌دهد که باطری گجت همراه خود را در سریع‌ترین زمان ممکن به اندازه‌ی قابل‌قبولی شارژ کنید.

شرکت کوالکام تاکنون چهار نسل از فست شارژ را معرفی کرده و توسعه داده است. همان‌طور که می‌دانید زمان شارژ رابطه مستقیمی با توان پمپ شده به دستگاه دارد. در نسخه‌ی اولیه از این تکنولوژی، شارژر تنها قادر به ارائه‌ی 10 وات توان بود و در ورژن دوم این میزان تا 18 وات افزایش پیدا کرد.

در مورد +Quick Charge 4، آخرین تکنولوژی معرفی‌شده از سوی شرکت کوالکام، ادعا شده که: 5 دقیقه شارژ برای 5 ساعت استفاده از گجت همراه.

فست شارژ (Quick Charge) چطور کار می‌کند؟

غیر از کوالکام شرکت‌های دیگری هم هستند که تکنولوژی Quick Charge را توسعه داده‌اند، اما به دلیل پیش‌قدم بودن شرکت کوالکام و استفاده از تجهیزات رایج (به‌ عنوان‌ مثال سیم مورد استفاده)، در این مقاله سیستم پیشنهادی کوالکام را بررسی می‌کنیم.

چیزی که مشخص است، فرایند شارژ سریع‌تر تنها با اعمال توان بیشتر به دستگاه ممکن خواهد بود. برای بالا بردن توان همان‌طور که آگاه هستید دو راه وجود دارد: زیاد کردن جریان اعمالی یا بالابردن ولتاژ.

در نسخه‌ی اولیه از Quick Charge ارائه شده، جریان شارژ را تا 2 آمپر بالا بردند که باعث انتقال توان 10 واتی می‌شد. مسائل و محدودیت‌های زیادی برای بالا بردن جریان مطرح است؛ یکی از اساسی‌ترین محدودیت‌ها، مقاومت سیم مورد استفاده است.

با بالا رفتن جریان، افت ولتاژ صورت گرفته روی سیم بیشتر خواهد شد و حتی در نمونه‌های نامرغوب از سیم شارژر به دلیل مقاومت بالای سیم اصلاً امکان عبور جریان بیش از یک آمپر نیست و از طرفی بالا بردن جریان، باعث ایجاد تلفات بیشتر در المان‌های الکترونیکی و تولید گرمای بیشتر می‌شود.

بنا بر دلایل ذکر شده، در نسخه دوم به‌جای افزایش جریان، ولتاژ افزایش پیدا کرد. با افزایش ولتاژ، توان نیز افزایش پیدا می‌کند؛ با این تفاوت که مقدار مقاومت سیم شارژر تأثیر کمتری در فرایند شارژ خواهد داشت و گرمای کمتری ایجاد می‌شود و امکان کوچک‌تر کردن شارژها نیز وجود دارد.

در ورژن دوم امکان انتخاب ولتاژ بین ولتاژهای 5، 9 و 12 توسط گجت وجود دارد. در ورژن سوم نیز، امکان تعیین ولتاژ در بازه‌ی 3.6 تا 20 برای گجت مورداستفاده وجود دارد.

شارژر چگونه ولتاژ مناسب را انتخاب می‌کند؟

همان‌طور که در مقاله‌ای تحت‌عنوان “همه چیز در مورد مدار شارژر باطری های لیتیوم یون” به بایدها و نباید‌های فرایند شارژ باطری‌های نیکل کادمیم پرداختیم، یکی از پارامترهای مهم در خصوص شارژ انواع باطری، مسئله‌ی دما است. با شارژ شدن باطری، گرما ایجاد می‌شود و اگر کنترل نشود که باطری با چه سرعتی افزایش دما دارد یا دمای آن تا چه اندازه افزایش پیدا کرده است، موجب آسیب دیدن باطری و حتی انفجار آن خواهد شد.

با توجه به خطرات افزایش دمای باطری، لازم است در صورت افزایش دما، توان اعمال‌شده از سوی شارژر کاهش پیدا کند تا احتمال صدمه دیدن باطری کم شود.

اگر یک باتری 3.7 ولت و 2000 میلی امپر ساعت داشته باشید و ازش 2 امپر جریان بکشید در عرض یک ساعت تموم میشه ولی اگر تصمیم دارید که 4 امپر جریان بکشید اول باید ظرفیت تخلیه باتری رو نگاه کنید. ظرفیت تخلیه × جریان (امپر ساعت) = مقدار حداکثر جریانی که میشه از باتری کشید.

همیچین پارامتری برای شارژ کردن باتری هم صادق است. یعنی هر باتری یک ظرفیت تخلیه و یک ظرفیت شارژ دارد.

آیا گجت قادر به کنترل ولتاژ شارژر است؟

همان‌طور که می‌دانید کابل‌های USB دارای چهار رشته سیم هستند که دو رشته سیم به نام‌های +D و -D وظیفه‌ی حمل اطلاعات را بر عهده دارند. در فرایند شارژ وقتی‌که گوشی هوشمند یا گجت موردنظر تشخیص داد که شارژر متصل شده است، یا اعمال سطح ولتاژهای مختلف بر روی این دو رشته سیم قادر به کنترل ولتاژ خروجی شارژ است. شارژر در ابتدای فرایند شارژ، این دو رشته را به هم اتصال کوتاه می‌کند و به این صورت گوشی متوجه می‌شود که به شارژر  (فست شارژر) متصل شده است.

با توجه به سطح ولتاژ‌های +D و -D ولتاژ خروجی را کنترل می‌کند. توجه داشته باشید که در Quick Charge 3.0 دو کلاس کاری وجود دارد که تنها تفاوت آن‌ها در بیش‌ترین ولتاژ خروجی است. کلاس B قادر است تا 20 ولت را تأمین کند.

چگونگی ساخت و پیاده‌سازی فست شارژر

برای ساخت یک شارژر سریع نیاز به یک مدار کنترل ولتاژ خروجی است که با توجه به سطح ولتاژ‌های اعمال‌شده به +D و -D ولتاژ خروجی را کنترل کند و بخش دیگری برای ایجاد ولتاژ، مورد‌نیاز است.

برای بخش دوم مدار می‌توان از انواع رگولاتورهای موجود در بازار استفاده کرد. توصیه می‌کنیم که از رگولاتور‌های سوییچینگ با فرکانس سوییچ بالا استفاده کنید. در این پروژه ما از LM2596 استفاده می‌کنیم.

LM2596 Circuit LM2596، یک آی سی سویچینگ با فرکانس سوییچ 150 کیلوهرتز و جریان دهی تا سقف 3 آمپر است و نیاز به المان‌های زیادی برای راه‌اندازی ندارد و در نوع Adj، قادر است ولتاژ خروجی را با استفاده از یک شبکه‌ی مقاومتی کنترل کند. شاید بهترین انتخاب نباشد ولی به لحاظ در دسترس بودن و قیمت، قطعاً بهترین انتخابی است که می‌توان داشت.

بخش دوم و در واقع اصلی‌ترین بخش، قسمت کنترل است؛ این‌که مداری طراحی کنیم که قادر باشد با توجه به نیاز گجت مورد‌استفاده، ولتاژ خروجی را کنترل کند. شاید بتوان با استفاده از چند مقایسه کننده آنالوگ و چند آی سی رفرنس و مقداری گیت دیجیتال آن را طراحی کرد یا از یک میکروکنترلر کمک گرفت.

اما راه‌های ساده‌تری هم وجود دارد و آن هم استفاده از آی سی‌‌های طراحی‌شده برای این منظور است. خوشبختانه آی سی مذکور به تازگی وارد بازار ایران نیز شده است و می‌توان آن را با یک جستجوی اینترنتی ساده پیدا و تهیه کرد.

معرفی آی سی کنترل شارژر سریع

آی سی کنترل شارژ مورد‌استفاده‌ی ما در این پروژه، CHY103 است که توسط شرکت Power integrations تولید شده است. آی سی مذکور قادر به پشتیبانی هر دو کلاس Quick Charge 3.0 است و توان مصرفی خیلی کمی در حدود 1 میلی وات دارد.

آی سی به‌ گونه‌ای طراحی شده است که قادر باشد به‌ صورت مستقیم با آی سی های فلای بک TinySwitch و TopSwitch در ارتباط باشد. در‌ صورتی‌که بخواهیم از دیگر آی سی‌های رگولاتور در کنار این آی سی استفاده کنیم نیاز است که شبکه فیدبک را به نحوی طراحی کنیم که مشکلی در برقراری ارتباط پیش نیاید.

CHY103 Diagram همان‌طور که در بلوک دیاگرام آی سی مشاهده می‌کنید، این آی سی برای تشخیص سطح ولتاژ مورد‌نیاز از 4 عدد مقایسه کننده استفاده می‌کند و تصمیم‌گیری در مورد ولتاژ خروجی با توجه به وضعیت آن‌ها، در Control LOGIC اتفاق می‌افتد.

CHY103 Circuit پایه‌ی شماره‌ی 2 یا FA/P را می‌توان برای خارج کردن آی سی از مدار استفاده کرد. در مواقعی که اخلالی در رگولاتور اصلی پیش بیاید یا به هر دلیلی قصد داشته باشیم که آی سی CHY103 را از مدار کنترل فیدبک خارج کنیم، می‌توانیم با تحریک پایه FA/P این کار را انجام دهیم.

با انتخاب مقاومت مناسب برای پایه‌ی شماره‌ی 7 یا REFERENCE، می‌توان بین کلاس A و B یکی را برای مدل شارش انتخاب کرد. قبلاً اشاره کردیم که کلاس B در ورژن سوم از شارژ سریع کوالکام، قادر به تأمین ولتاژ تا سقف 20 ولت است. پایه‌ی شماره‌ی 8 یا BYPASS برای تشخیص undervoltage و هم‌چنین تأمین ولتاژ مورد‌نیاز برای کارکرد آی سی است.

پایه‌ی شماره‌ی یک یا TEMPERATURE MONITOR، برای رصد حرارت ایجاد‌شده توسط مدار است و در صورت گرمای بیش از حد می‌تواند با اعمال توان کمتر از آسیب دیدن مدار جلوگیری کند. برای استفاده از این پایه تنها نیاز است که آن را یک NTC مناسب وصل کنید.

در نهایت پایه‌ی شماره‌ی 2 یا FEEDBACK DRIVE، پایه‌ای است که با وصل شدن به مسیر فیدبک رگولاتور اصلی، کار کنترل و نظارت بر ولتاژ خروجی را انجام می‌دهد.

اگر به بلوک دیاگرام درون آی سی توجه کنید، این پایه به یک مقایسه کننده با ولتاژ Vth متصل شده و از طرفی می‌تواند جریان IT از آن کشیده شود یا به آن اعمال شود؛ همین مکانیسم کمک می‌کند که این آی‌سی با دست‌کاری ولتاژ موجود بر روی رفرنس رگولاتور، باعث افزایش یا کاهش ولتاژ خروجی شود.

مدار طراحی‌شده شارژر سریع، بر اساس آی سی LM2596 و CHY103 است. در این طراحی قسمت تشخیص خطا در نظر گرفته نشده و سنسور حرارتی آن حذف شده است و نیازی به مونتاژ R5 نیست.

مهم‌ترین مسئله در طراحی این گونه مدار‌ها، محاسبه‌ی مقادیر مناسب برای شبکه‌ی فیدبک است. با توجه به این‌که ولتاژ رفرنس داخلی آی سی LM2596 معادل 1.23 است و ولتاژ رفرنس آی سی CHY103 معادل 1.265، وجود این تناقض کوچک تمام معادلات اولیه برای طراحی بی‌دردسر را بر هم می‌زند.
از طرفی جریانی که آی سی CHY103 برای کنترل ولتاژ خروجی به مسیر فیدبک اعمال می‌کند، جریان ناچیز 2 میکرو آمپر است که باید حتماً دقت داشته باشید که مقادیر مسیر فیدبک را به نحوی در نظر بگیرید که جریان اعمال‌شده قادر باشد تغییرات دلخواه را در خروجی به وجود بیاورد. در مسیر فیدبک ما از سه مقاومت R2 ، R3 و R4 استفاده کرده‌ایم. با توجه به جریان 2 میکرو آمپر، بهتر است مجموع مقاومت‌ها در حدود 134 کیلو اهم باشد.
ما از مقادیر 33 کیلو و 1 کیلو برای برای جبران اختلاف بین ولتاژ‌های فیدبک دو آی سی استفاده کرده‌ایم؛ به این صورت ولتاژ مبنا برای آی سی CHY103 معادل 1.256 و از نظر LM2596 معادل 1.23 خواهد بود.
در تصویر فوق نمونه‌ی کامل‌شده از این شارژر سریع را مشاهده می‌کنید که در حال شارژ گوشی HTC M9 است.
شارژر فوق با گوشی‌هایی از برند LG ، samsung و HTC تست شده و بدون هیچ مشکلی فرایند شارژ سریع را انجام می‌دهد.
در زیر نمودار شارژ گوشی HTC One M9 را مشاهده می‌کنید:
HTC M9 Charging Chart
خرید آیسی CHY103
البته راه‌های زیادی برای ساخت یک شارژر سریع وجود دارد که استفاده از CHY103 یکی از راحت‌ترین و قابل اعتمادترین راه‌های ممکن است. برای خرید آیسی شارژر سریع می‌توانید به راحتی با یک جستجوی ساده در پارت‌جو (پارت‌جو چیست ؟)، قطعه‌ی مورد‌نظر را در فروشگاه‌های ایرانی پیدا کنید.
دانلود شماتیک و PCB شارژر سریع:
شماتیک و PCB با استفاده از نرم‌افزار altium designer رسم شده‌اند و به‌صورت رایگان و متن‌باز در اختیار کاربران محترم قرار می گیرد.