بررسی کامل پاوربانک (شارژر همراه) – قسمت اول

گوشی‎های تلفن همراه با وجود همه‎ی ویژگی‎ها و توانمندی‎های خود، روز به روز برای دریافت انرژی گرسنه‎تر می‎شوند و سه سوته یک باتری را خالی از شارژ می‎کنند. این یک مشکل مشترک بین همه کاربران گوشی‎های تلفن همراه است. تولیدکنندگان سعی بر این دارند که سایز باتری‎ها را افزایش دهند تا بازه‎های زمانی عملکرد آن‎ها را افزایش دهند ولی در این مورد با محدودیت سایز و وزن روبرو هستند. موقعیتی را در نظر بگیرید که در میان مسیر هستید و باتری گوشی شما شارژ تمام می‎کند در حالیکه به اپلیکیشن مسیریابی آن نیاز دارید! در این موقعیت تنها چیزی که نیاز دارید، یک منبع برای شارژ باتری است.

انرژی همراه

بانک توان _که به اسم‎های دیگر مانند بانک باتری، شارژر همراه یا پاور بانک نیز شناخته می‎شود_ یک منبع انرژی است که در جیب جا می‎شود! این منبع انرژی می‎تواند انرژی را در باتری لیتیوم یون داخل خود ذخیره کند و آن را در اختیار گجت قابل حمل مانند گوشی تلفن همراه یا تبلت قرار دهد.

در اولین قسمت این پست در مورد اصول بانک باتری، مشخصات مختلف و ویژگی‎های آن‎ها صحبت خواهیم کرد. در قسمت دوم، بکارگیری یک پاوربانک را با جزئیات بیشتر تشریح خواهیم کرد.

شکل ۱

شکل ۱ قسمت‎های مختلف یک پاوربانک را نشان می‎دهد. پاوربانک دارای یک کلید جهت روشن شدن و شارژ گجت همراه دارد. دیودهای نورانی یا LEDها میزان شارژ باقیمانده در پاوربانک و همچنین شارژ یا دشارژ شدن آن را نشان می‎دهد. باتری داخلی با استفاده از یک میکروUSB شارژ می‎شود. پاوربانک همچنین می‎تواند از طریق اتصال به یک کامپیوتر یا لپ‎تاپ شارژ شود.  USB-A جهت اتصال گجت خارجی برای دریافت شارژ استفاده می‎‎شود.

شکل ۲

شکل دوم نشان دهنده‎ی بلوک دیاگرام کلی یک پاور بانک است. بخش اصلی یک پاوربانک، باتری لیتیوم یونی است که می‎تواند انرژی را ذخیره کند. باتری در ابتدا به یک مدار محافظ باتری متصل شده تا به طور مداوم جریان و ولتاژ باتری را رصد و در مواقع اضافه شارژ، دشارژ بیش از حد، اضافه بار یا اتصال کوتاه باتری را از مدار خارج کند.

ولتاژ ورودی از درگاه میکرو یو‎اس‎بی در اختیار کنترل کننده‎ی شارژ که معمولا یک مبدل باک است قرار داده می‎شود. مبدل باک مذکور ولتاژ ورودی مذکور را به توان جریان ثابت یا ولتاژ ثابت تبدیل می‎کند و در اختیار باتری قرار می‎دهد.

مبدل سوئیچینگ دیگری از نوع مبدل بوست (افزاینده) ولتاژ باتری که اصولا بین ۳ تا ۴٫۲ ولت است را به ولتاژ ۵ ولت تبدیل می‎کند تا باتری وسیله‎ی خارجی مانند گوشی تلفن همراه را شارژ کند.

یک میکروکنترلر عملیات کنترل مانند فعال سازی مبدل بوست حین زدن دکمه، اندازه‎گیری ولتاژ باتری، کنترل کردن LEDها جهت نشان دادن وضعیت شارژ و خاموش کردن مبدل بوست در زمانی که گجت همراه خارجی جریان نمی‎کشد را بر عهده دارد.

اکنون می‎خواهیم نگاه ریزبینانه‎تری به هریک از بلوک‎های شکل قبل بیاندازیم.

کنترل کننده شارژ (Charge Controller)

شکل ۳

کنترل کننده شارژ ابزاری است برای تعیین الگوریتم شارژ باتری لیتیوم یون داخلی که معمولا بر اساس یک مبدل باک عمل می‎کند. روند شارژ تا ظرفیت کامل معمولا طی چند مرحله انجام می‎گیرد به طوریکه این اطمینان حاصل می‎شود که روند شارژ به صورت امن و بدون خطر صورت می‎گیرد. در طول این مراحل، باتری باید هم در مود جریان ثابت (CC mode) و هم در مود ولتاژ ثابت (CV mode) شارژ شود. شکل سوم روند شارژ یک باتری لیتیوم یون را نشان می‎دهد که شامل موارد زیر است:

 

  1. پیش شارژ: در این مرحله باتری بررسی می‎شود تا در مورد سالم بودن آن اطمینان حاصل شود.
  2. مرحله فعال‎سازی: اگر باتری عمیقا دشارژ شده و اگر ولتاژ کمتر از باشد باتری با یک جریان فعال‎سازی ثابت و اندک ( ) که حدودا ۲ درصد mAH نامی باتری است شارژ می‎شود تا ولتاژ آن به آستانه‎ی  برسد. این مرحله، مرحله‎ی فعالسازی نام دارد.
  3. جریان ثابت: وقتی ولتاژ باتری فراتر از شد، باتری با جریان ثابت شارژ خواهد شد. این مرحله تا رسیدن ولتاژ باتری به ولتاژ کامل  ادامه پیدا خواهد کرد. که معمولا ۲V + 0.05V خواهد بود.
  4. ولتاژ ثابت: وقتی ولتاژ باتری به ولتاژ کامل رسید، مرحله‎ی شارژ به مرحله ولتاژ ثابت خواهد رسید. در این مرحله ولتاژ باتری ۲ ولت ثابت باقی خواهد ماند. در حالیکه ولتاژ باتری ثابت می‎ماند، جریان آن افت می‎کند. وقتی جریان به میزان از پیش تعیین شده برسد، شارژ به پایان می‎رسد.

مدار محافظ باتری

باتری‎های لیتیوم یون در صورت استفاده ناصحیح، بسیار آسیب‎پذیر هستند. وقتی به باتری این امکان را پیدا می‎کند تا ولتاژش فراتر از ۴٫۲ شود، دمایش افزایش پیدا می‎کند. بارها شاهد خبرهای آتش گرفتن باتری‎های لیتیوم یون بوده‎ایم که دلیل عمده‎ی آن منطق ضعیف حفاظت بوده است. بنابراین از نقطه نظر حافظتی، امر محافظت از باتری بسیار مهم است. مدار مخافظ باتری یک یا چند مورد را شامل می‎شود که در ادامه آورده شده‎اند:

  • محافظت اضافه شارژ: وقتی ولتاژ باتری از آستانه امن فراتر رود، عمل شارژ را متوقف می‎کند.

  • محافظت تخلیه بیش از حد: وقتی ولتاژ باتری کمتر از ولتاژ آستانه شود، تخلیه باتری را متوقف می‎کند.

  • محافظت اتصال کوتاه: در صورت تشخیص اتصال کوتاه، عمل تخلیه را متوقف می‎کند

  • محافظت دما: در صورتی که دما باتری فراتر یا پایین‎تر از دماهای آستانه‎ی از پیش تعیین شده باشد، عمل شارژ و تخلیه را متوقف می‎سازد.

مبدل بوست (افزاینده)

ولتاژ باتری‎های لیتیوم یون اصولا بین ۳ تا ۴٫۲ ولت است و تقریبا تمامی گوشی‎های تلفن همراه به ولتاژ ۵ ولت برای شارژ شدن نیاز دارند. مبدل بوست ولتاژ ۳ تا ۴٫۲ ولت را تا ۵ ولت افزایش می‎دهد تا قابل استفاده جهت شارژ وسیله‎های الکترونیکی دیگر باشد.

کنترلر

در یک پاوربانک، کنترلر عملیات پایه را برعهده دارد. برخی از این عملیات عبارتند از:

تشخیص فشردن دکمه و فعال کردن خروجی مبدل بوست.

اندازه‎گیری جریان کشیده شده توسط بار و خاموش کردن مبدل بوست هنگامی که بار جریان نکشد.

اندازه‎گیری ولتاژ باتری حین عمل شارژ یا تخلیه و روشن کردن چراغ‎های وضعیت برای نشان دادن مرحله و یا سطح شارژ.

ویژگی‎های پاوربانک

اکنون که ویژگی‎های اصلی در سطح مختلف بانک باتری را معرفی کردیم بیاید نگاهی به اصلی‎ترین ویژگی‎های آن‎ها بیاندازیم.

بیشینه جریان بار – این بیشترین جریانی است که یک بانک باتری می‎تواند برای شارژ شدن یک وسیله‎ی الکترونیکی تامین کند. وسایل الکترونیکی همراه مختلف، به جریان‎های شارژ مختلفی نیاز دارند. برای مثال، آیفون‎ها با بیشینه جریان یک آمپر (۱۰۰۰ میلی‎آمپر)، آیپد۲ با جریان ۲٫۱ آمپر، آیپد۴ با جریان ۲٫۴ آمپر و دستگاه‎های آندرویدی با جریان ۰٫۵ تا ۱٫۵ آمپر شارژ می‎شوند.

ولتاژ خروجی – این ولتاژی است که در خروجی پاور بانک قابل دسترس است و اندازه‎ی آن ۵V + 0.25V است.

جریان شارژ – این بیشترین جریانی است که پاوربانک برای شارژ شدن باتری خودش نیاز دارد که حدودا بین ۰٫۵ تا ۱ آمپر است.

تشخیص خودکار منبع شارژ

شارژ باتری داخلی پاوربانک از طریق دستگاه‎های مختلفی مانند کامپیوتر، لپ‎تاپ یا شارژر معمولی موبایل امکان‎پذیر است. بیایید نگاهی بیاندازیم به منابع شارژ مختلف که توسط استاندارد شارژ باتری (Battery Charging Specifications BC1.2) تعریف شده‎اند.

پورت پایین دست استاندارد (SDP =Standard Downstream Port) : این همان پورت یا درگاه USB معمولی است که در کامپیوترهای دسکتاپ یا لپ‎تاپ وجود دارد. این درگاه قابلیت جریان‎دهی ۵۰۰ میلی‎آمپر را دارد. البته در برخی از موارد فقط ۱۰۰ میلی‎آمپر جریان به بار می‎دهد.

پورت شارژ اختصاصی (DCP=Dedicated Charging Port) : این پورت USB فقط برای هدف شارژ تعبیه شده و کاربرد تبادل اطلاعات ندارد. این پورت می‎تواند تا ۱٫۵ آمپر جریان برای شارژ دستگاه‎ها فراهم کند. تشخیص توان مورد نیاز پاور بانک برای انتخاب شارژر مناسب امر مهمی است. برای مثال، اگر پاوربانک به یک کامپیوتر متصل شود شاید بیشتر از ۱۰۰ میلی‎آمپر نکشد ولی اگر به یک درگاه DCP متصل شود می‎تواند ۱٫۵ آمپر جریان بکشد تا باتری خود را شارژ کند.

پاور بانک از نوع چندخروجی

امروزه موبایل‎ها دارای پورت مشترک برای شارژ و تبادل اطلاعات هستند. ، این موبایل‎ها بسته به نوع  شارژر که به آن متصل می‎شوند در مورد میزان جریانی که می‎کشند تصمیم‎گیری می‎کنند. برای مثال اگر موبایل به پورت کامپیوتر متصل شود، بسته به پورت آن کامپیوتر ۱۰۰ یا ۵۰۰ میلی‎آمپر جریان می‎کشد. ولی اگر به پورت شارژرهایی که به برق متصل می‎شوند (شارژر دیواری) متصل شود، جریان بیشتری می‎کشند تا سریع‎تر شارژ شوند.

برای اینکه موبایل بتواند بین یک شارژر دیواری و یک پورت USB تفاوت قائل شود، تولید کنندگان از سطوح ولتاژ مختلفی روی سیگنال‎های D+ و D- پورت USB استفاده می‎کنند. بسته به این سطوح ولتاژ موبایل جریان بهینه برای شارژ باتری خود را می‎کشد.

این سطوح ولتاژ برای دستگاه‎های مختلف متفاوت هستند. به طور کلی، دستگاه‎های اپل (که تحت عنوان دستگاه‎های MFi شناخته می‎شوند) از یک سطح بایاس خاص استفاده می‎کنند و دستگاه‎های آندرویدی از یک سطح بایاس دیگر استفاده می‎کنند.

این موضوع، امکان استفاده از پاوربانک هم برای MFi و هم برای دستگاه‎های آندرویدی را کمی دشوار می‎کند. در پاوربانک‎های ارزان قیمت، تولید کنندگاه اصولا با استفاده از دو درگاه USB با این مشکل دست و پنجه نرم می‎کنند (یکی برای دستگاه‎های اپل و دیگری برای اندروید) یا از کابل‎هایی استفاده می‎کنند که دارای مدل‎های بایاس در داخل خود هستند. برخی از پاوربانک‎هایی که با تکنولوژی بالایی ساخته می‎شوند از ویژگی تشخیص اتوماتیک دستگاه تلفن همراه بهره می‎جویند و خطوط D+ و D- را به طور مناسب بایاس می‎کنند بنابراین همه‎ی دستگاه‎ها را توسط یک پورت پشتیبانی می‎کنند.

بازده مبدل بوست

بازده مبدل بوست نسبت توان ارسال شده برای شارژ تلفن همراه به میزان توان کشیده شده از باتری است. هرچه بازده بالاتر باشد پاوربانک با همان باتری، توان بیشتری را برای شارژ دستگاه‎های خارجی تامین می‎کند. بازده مبدل بوست بستگی به انتخاب قطعاتی همچون ماسفت‎ها، سلف‎ها و دیودها و همچنین شیوه‎ی طراحی PCB جهت کاهش تلفات دارد. پاوربانک‎های خوب اصولا دارای بازده حداقل ۸۵% هستند.

تشخیص حالت بدون بار

یک ویژگی مهم دیگر یک پاوربانک تشخیص زمانی است که دستگاه خارجی جریان کشی را متوقف می‎کند (یعنی زمانی که دستگاه همراه به طور کامل شارژ شده است) و مبدل بوست را خاموش می‎کند. بدون این ویژگی حتی وقتی که موبایل به طور کامل شارژ شد مبدل بوست به کشیدن جریان (حدودا چند ده میلی‎آمپر) از باتری پاوربانک ادامه می‎دهد و پس از مدتی باتری را خالی می‎کند.

در این قسمت اول ما به مشخصات پایه پاور بانک نگاه کردیم، با بلوک دیاگرام آن آشنا شدیم و ویژگی‎های متداول پاوربانک‎ها را نام بردیم. در قسمت بعدی ما با جزئیات بیشتر، بکار گیری پاوربانک را بررسی خواهیم کرد.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

آیا می خواهید به بحث بپیوندید؟
در صورت تمایل از راهنمایی رایگان ما استفاده کنید!!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *