آشنایی با مبدل DC به DC

مبدل DC-DC یک مدار الکترونیکی یا وسیله الکترومکانیکی است که یک جریان مستقیم (DC) از یک منبع با یک سطح ولتاژ به سطح دیگر تبدیل می‎کند. این مبدل درواقع یک نوع مبدل الکترونیک قدرت است. رنج توان از بسیار کم (باتری‎های کوچک) تا توان‎های بسیار بالا (انتقال توان ولتاژ بالا) متغیر است.

تاریخچه

قبل از توسعه نیمه‌هادی‌های قدرت و تکنولوژی‎های وابسته، یک‌راه تبدیل ولتاژ از یک منبع DC به ولتاژ بالاتر برای کاربردهای توان پایین، تبدیل ‎آن به AC توسط ویبراتور و سپس بالا بردن سطح آن توسط ترانس و استفاده از یک‌سوساز بود. برای توان‎های بالاتر یک موتور الکتریکی برای درایو کردن یک ژنراتور با ولتاژ موردنظر استفاده می‎شد. گاهی کل این مجموعه در یک بسته‌ی واحد “دینامومتر” قرار می‎گرفت به صورتی که یک سیم‎پیچ موتور را درایو می‎کرد و سیم‎پیچ دیگر ولتاژ خروجی را تولید می‎کرد. این روش‎ها بسیار ناکارآمد و پرهزینه بودند و فقط وقتی راه جایگزینی وجود نداشت مورداستفاده قرار می‎گرفتند مثلاً برای تیوب‎های حرارتی (لامپ خلأ) که به ولتاژ بسیار بالاتر از ولتاژ باتری خودرو نیاز دارند. ظهور نیمه‌هادی قدرت و مدارهای مجتمع (IC)، به‌کارگیری تکنیک‌هایی همچون تبدیل توان از منبع DC به توان AC با فرکانس بالا به‌واسطه ترانس کوچک و یک‌سوسازی مجدد برای تغییر ولتاژ را به‌طور اقتصادی امکان‌پذیر کرد. بااینکه در سال ۱۹۷۶ رادیو خودروها دیگر نیازی به ولتاژ بالا نداشت همچنان یک سری از رادیوهای قدیمی برای کار کردن به ویبراتور و دینامومتر نیاز داشتند.

تبدیل ولتاژ بالا به ولتاژ پایین‎تر توسط الکترونیک خطی امکان‌پذیر بود، بااین‌حال این روش‎ها بسیار ناکارآمد و همراه با تولید حرارت بالا بودند و امکان تبدل توان با بازده بالا با مدارات سوئیچینگ مبتنی بر نیمه‌هادی امکان‌پذیر شدند.

کاربردهای مبدل DC به DC

کانورترهای DC-DC در دستگاه‎های الکترونیک همراه مانند موبایل و لپ‌تاپ استفاده می‎شود مخصوصاً وقتی‌که قرار است انرژی خود را از باتری‌ها دریافت کنند. این‌گونه دستگاه‎های الکترونیکی اصولاً شامل یک سری زیر-مدار هستند که هرکدام نیازمند سطح ولتاژ مخصوص خود است که با سطح ولتاژ باتری متفاوت است. علاوه بر این، وقتی از باتری جریان کشیده می‎شود، پس از مدتی ولتاژش افت می‎کند. مبدل‎های سوئیچینگ این قابلیت را دارند که باوجود کاهش ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی خود را در سطح مطلوب و ثابت حفظ کنند و بنابراین، نیازی به استفاده از چند باتری با سطح ولتاژ یکسان نیست.

اکثر مبدل‎های DC-DC ولتاژ خروجی تنظیم‌شده‌ای دارند.

مبدل‎های DC به DC که برای افزایش استحصال انرژی از سیستم‎های فتوولتائیک یا توربین‎های بادی بکار می‎روند، بهینه‎ساز توان یا پاور اپتیمایزر (power optimizer) نامیده می‎شوند.

ترانس‎هایی که برای تبدیل توان در فرکانس اصلی ۵۰-۶۰ هرتز بکار می‎روند باید سنگین و بزرگ باشند. به خاطر همین موضوع این ترانس‎ها گران‎قیمت و دارای تلفات بیشتری هستند. تکنیک‎های DC به DC که در آن‎ها از سلف یا ترانس استفاده‌شده، در فرکانس‎های بسیار بالاتری کار می‎کنند و نیازمند قطعات سبک‎تر و کوچک‎تر هستند.

تبدیل الکترونیکی

مبدل‎های الکترونیکی رایج از تکنیکهای سوئیچینگ استفاده می‎کنند. مبدل‎های سوئیچینگ DC به DC توسط ذخیره‌سازی موقت انرژی ورودی و سپس آزادسازی انرژی به خروجی، یک سطح ولتاژ را به سطح دیگر تبدیل می‎کنند که ممکن است کمتر یا بیشتر از سطح ولتاژ اولیه باشد. ذخیره کننده‎ی انرژی می‎تواند مبتنی بر میدان مغناطیسی باشد (مانند سلف و ترانس) یا الکتریکی باشد (خازن). این روش تبدیل می‎تواند سطح ولتاژ را افزایش یا کاهش دهد. تبدیل سوئیچینگ بسیار کارآمدتر از تبدیل توان خطی است بطوریکه بازده این تبدیل از ۷۰ تا ۹۸ درصد است. برای مثال مبدل ۳۳۰ وات رایمون پارو که در فروشگاه قابل‌مشاهده است دارای بازده ۷۸ درصد است. برای بازده بالا، زمان صعود و نزول سریع قطعات نیمه‎هادی نیاز است بااین‌حال ترکیب این حالت گذرای سریع و اثرات پارازیتی، طراحی این‌گونه مدارها را چالش‌برانگیز می‎کند. بازده بالاتر مبدل سوئیچینگ نیاز به هیت سینک بزرگ‎تر را مرتفع ساخته و قابلیت تحمل باتری تجهیزات سیار را افزایش می‌دهد. بازده از دهه‎ی ۱۹۸۰ به دلیل استفاده از فت‎ها افزایش یافت زیر این قطعات نسبت به ترانزیستورهای ۲قطبی امکان کلید زنی همراه با تلفات کمتر و با فرکانس بیشتر را فراهم می‎کنند و همچنین نیاز به مدارات درایو ساده‎تری دارند. پیشرفت دیگر مبدل‎های DC به DC  جایگزین کردن دیود هرز گرد با یک‌سوساز همگام توسط فت‎ها است که مقاومت حالت روشن آن‎ها بسیار پایین است و همین امر تلفات سوئیچینگ را کاهش می‎دهد. قبل از در دسترس قرار گرفتن نیمه‎هادی‎های قدرت، مبدل‎های DC به DC همگام دارای یک ویبراتور الکترومکانیکی همراه با یک ترانس افزاینده بودند که یک لامپ خلأ یا یک‌سوساز نیمه‎هادی را تغذیه می‎کرد.

اکثر مبدل‎های DC به DC طوری طراحی‌شده‌اند تا توان را در یک‌جهت از ورودی معلوم به خروجی مشخص تبدیل کنند. بااین‌حال اکثر رگولاتورهای سوئیچینگ می‎توانند توسط جایگزین کردن دیودها با یک‌سوسازهای فعال کنترل شونده‎ی مستقل به‌صورت دوطرفه ساخته شوند. یک مبدل دو طرفه کاربردهای خاص خود را دارد مثلاً در عملکرد احیای ترمز وسایل نقلیه که توان حین رانندگی به تایرها منتقل و حین ترمز گرفتن از چرخ‎های گرفته می‎شود.

باوجوداینکه مبدل‌های سوئیچینگ به تعداد قطعات محدودی نیاز دارند، ساختار پیچیده‎ای دارند. مانند همه‎ی مدارات فرکانس بالا، قطعات این مبدل‎ها باید با احتیاط انتخاب شوند تا عملکرد پایدار را به همراه داشته باشند و همچنین نویز ناشی از سوئیچینگ (EMI/RFI) را در سطح قابل‌قبول نگه‌دارند. قیمت مبدل‎های سوئیچینگ در کاربردهایی که نیازمند کاهش ولتاژ ورودی است نسبت به رگولاتورهای خطی بیشتر است. ولی با پیشرفت‎هایی که در طراحی درون تراشه صورت می‎گیرد، قیمت آن‎ها رو به کاهش است.

مبدل‎های DC به DC در قالب مدارهای مجتمع نیز قابل‌دسترس است که نیاز به چند قطعه اضافی دارد. همچنین ماژول‎های هیبرید کامل نیز در بازار عرضه می‎گردد.

مبدل‎های DC به DC خطی برای اهداف کاهش سطح ورودی و همچنین مبدل‎های DC به DC ساده خازنی (و همچنین مدار دیکسون) که ولتاژ را دو برابر می‎کنند تاکنون ساخته‌شده‌اند ولی همگی برای توان‎های خروجی پایین مورداستفاده قرار می‌گیرند.

قبلاً در رایمون پاور با مدارات باک و بوست که نوعی مبدل DC به DC هستند آشنا شدید. از انواع دیگر این مبدل‎های می‎توان به توپولوژی‎های فوروارد، فلای‎بک، پوش‎پول، نیم پل و تمام پل اشاره کرد.

مبدل‎های مغناطیسی

در مبدل‎های DC به DC انرژی به‌طور تناوبی از یک میدان مغناطیسی در یک سلف یا ترانس ذخیره و آزاد می‎شود. توسط تغییر دیوتی‎سایکل، توان خروجی به‌راحتی کنترل می‎شود. مبدل‎هایی که بر اساس ترانس ساخته می‎شود ایزولاسیون بین ورودی و خروجی را به همراه دارند.

هر توپولوژی مبدل DC به DC می‎تواند یکی از انواع زیر باشد:

  • سوئیچینگ سخت
  • رزونانسی: یک فیلتر LC ولتاژ و جریان روی ترانزیستور را حالت می‎دهد و ترانزیستور حین کلید زنی دارای جریان یا ولتاژ صفر است.

مبدل‎های خازنی

مبدل‎های سوئیچینگ خازنی بر اساس اتصال تناوبی خازن‎ها به ورودی و خروجی در توپولوژی‎های مختلف ساخته می‎شوند. برای مثال یک مبدل کاهنده خازنی سوئیچینگ می‎تواند دو خازن را به‌صورت سری شارژ کند و به‌صورت موازی تخلیه کند. این عمل همان توان ورودی را در اختیار کاربر قرار می‎دهد (البته با بازده کمتر از ۱۰۰%) به‌طور ایدئال، نصف ولتاژ ورودی و دو برابر جریان آن. به دلیل اینکه این مبدل‎ بر اساس میزان شارژ متفاوت کار می‎کند به آن مبدل پمپ شارژ نیز می‎گویند. این نوع مبدل‎های برای کارهایی که نیاز به جریان کم دارند استفاده می‎شوند. برای جریان‎های بالاتر، مبدل‎های سوئیچینگ انتخاب بهتری هستند. این مبدل‎های همچنین در ولتاژهای بالا که در آن سطح ولتاژ، شکست مغناطیسی رخ می‌دهد مورداستفاده قرار می‎گیرند.

نویز RF

مبدل‎های سوئیچینگ ذاتاً دارای نویز رادیویی با فرکانس سوئیچینگ و هارمونیک‎هایش هستند که مداخلات الکترومغناطیسی (EMI) ایجاد می‎کنند.

نویز خروجی

خروجی یک مبدل DC-DC ایدئال، کاملاً صاف و مسطح است بااین‌حال، در واقعیت مبدل‎های یک DC خروجی فراهم می‎کنند که دارای میزانی نویز الکتریکی هستند. مبدل‎های سوئیچینگ نویز‎های سوئیچینگ با فرکانس سوئیچینگ و هارمونیک‎های آن تولید می‎کنند. علاوه بر این، تمام مدارهای الکترونیکی دارای میزانی نویز حرارتی هستند. برخی از مدارات حساس مخابراتی و مدارات آنالوگ نیازمند یک منبع تغذیه با نویز بسیار کمی است بطوریکه این هدف فقط با منبع تغذیه خطی محقق می‎گردد.

 

تفاوت بین فیوزهای شیشه‎ای و سرامیکی

فیوز با سوختن خود، دستگاه‎های الکترونیکی را در برابر اضافه‌بار یا اتصال کوتاه محافظت می‎کند. فیوزهای زیادی در اشکال، ابعاد و از جنس مواد مختلف وجود دارند. شیشه و سرامیک، دو ماده‎ی رایج در ساخت فیوزها هستند.

 

عملکرد فیوزها

وقتی خطایی مانند اضافه‌بار یا اتصال کوتاه در مدار رخ دهد، جریان زیادی در فیوز جاری می‎شود که منجر به سوختن یا ذوب شدن اِلِمان داخل فیوز می‎شود و جریان ورودی مدار قطع می‎گردد. این عمل از وارد شدن آسیب بیشتر به مدار توسط جریان زیاد جلوگیری می‎کند.

تاریخچه

در زمان‎های بسیار دور، فیوز چیزی به‌جز یک سیم ساده نبود. اولین فیوز محصورشده (دربسته) در سال ۱۸۹۰ توسط ادیسون ساخته شد. پس‌ازآن فیوز در انواع مختلفی تولید شد.

انواع

باوجوداینکه هدف استفاده از فیوز چه شیشه‎ای و چه سرامیکی یکسان است، هرکدام داری عملکرد خاصی خود هستند و در برابر اضافه جریان و اضافه‌بار عکس‌العمل جداگانه‎ای را از خود نشان می‎دهند. فیوزهای موجود را در دسته‎های زیر می‎تواند قرارداد:

  • فیوزهای با عملکرد بسیار سریع (FF)
  • فیوز سریع یا زود-سوز (F)
  • فیوز با عملکرد متوسط یا وقفه‎ای (M)
  •  فیوز کند-سوز، کند-کار یا تأخیری (T)
  •  فیوز بسیار کند یا با تأخیر بسیار زیاد (TT)

هرکدام از فیوزها نسبت به جریان‎های معمولی و جریان‎های هجومی (خروشانی) عکس‎العمل مختلفی را نشان می‎دهند و زمان خاص خود را برای عکس‎العمل می‎طلبند. بنابراین برای مدار خود باید فیوز مناسبی را انتخاب کنید. یک انتخاب ناصحیح می‎تواند به معنای عدم حفاظت یا حساسیت بیش‌ازحد باشد. اگر فیوز  بسیار کند عمل کند ممکن است در صورت بروز مشکل به قسمت‎های زیادی از مدار آسیب وارد شود یا برعکس ممکن است فیوز به‌قدری سریع بسوزد که بدون دلیل اصلاً مدار روشن نشود برای مثال اگر از یک فیوز FF در مداری استفاده شود که حین روشن شدن جریان هجومی می‎کشد، شاهد چنین اتفاقی خواهیم بود. به‌طورمعمول، برای یک اضافه‌بار ۵۰۰درصد یک فیوز FF یک‌دهم زمان نرمال فیوز F نیاز دارد تا بسوزد درصورتی‌که فیوز T 200 برابر زمان بیشتری برای سوختن نیاز دارد.

ساختار

بدنه‎ی فیوز از جنس شیشه، پلاستیک، سرامیک یا فایبرگلاس است و ترمینال‎های می‎توانند از جنس مس یا برنج باشند. این ترمینال‎ها به المنت متصل می‎شوند. المنت می‎تواند تک سیمه یا شامل بیش از یک سیم باشد. بسته به نوع این رشته‎ها فیوز می‎تواند عملکرد مختلفی داشته باشد. گاهی اوقات ماسه یا پودر کوارتز داخل فیوز ریخته می‎شود تا رفتار فیوز را تغییر دهند. این عمل اصولاً در فیوزهای سرامیکی صورت می‎گیرد.

تفاوت‎ها

در یک فیوز شیشه‎ای المنت قابل‌مشاهده است و این موضوع بازرسی فیوز را ساده‎تر می‎کند درصورتی‌که المنت فیوز سرامیکی قابل‌مشاهده نیست. یک فیوز شیشه‎ای دارای ظرفیت شکست پایینی است. یعنی تحت ولتاژ یا جریان زیاد المنت فیوز ذوب می‎شود بنابراین برای کاربردهایی که جریان زیادی می‎کشند زیاد مناسب به نظر نمی‎رسند. از طرف دیگر، فیوزهای سرامیکی دارای ظرفیت شکست یا گسست بالایی هستند و برای مدارهای ولتاژ و جریان بالا مناسب هستند. برخی از فیوزهای سرامیکی HRC (ظرفیت گسستن بالا=high rupturing capacity) می‎توانند برای یک جریان ۳۰۰،۰۰۰ آمپری وقفه ایجاد کنند و نسوزند درحالی‌که فیوزهای شیشه‎ای دارای ظرفیت بسیار کمتری هستند گاهی در حد ۱۵ آمپر.

فیوزهای شیشه‎ای دارای پایداری حرارتی پایینی هستند و برای محیط‎های گرم مناسب نیستند. از طرف دیگر فیوزهای سرامیکی می‎توانند دماهای بالاتری را تحمل کنند و در محیط‎های گرم‎تری به عملکرد عادی خود ادامه دهند.

فیوزهای سرامیکی برخلاف فیوزها شیشه‎ای اصولاً با ماسه پر می‎شوند تا از تشکیل لایه رسانا جلوگیری شود. وقتی اتصال کوتاه رخ می‎دهد. المنت ذوب و بخار می‎شود. در صورت شیشه‎ای بودن بدنه‎ی فیوز، این بخار می‎تواند روی بدنه بنشیند و لایه رسانایی را تشکیل دهد. ولی در فیوزهای سرامیکی حاوی ماسه، بخار و گرما توسط ماسه جذب‌شده و از هدایت الکتریسیته جلوگیری به عمل می‎آورد.

ملاحظات

  • قبل از نصب فیوز در نظر داشتن چند مورد مهم است:
  • ماکزیمم جریان مداوم، که بیشترین جریانی عبوری از فیوز را تعیین می‎کند.
  • ظرفیت شکست یا گسست که بیشترین جریان عبوری از فیوز در بازه زمانی کوتاه بدون آسیب دیدن آن را تعیین می‎کند.
  • ولتاژ: فیوز باید تحت ولتاژی کمتر از ولتاژ نامی نصب شود.

 

 

بررسی کامل پاوربانک (قسمت دوم)

در قسمت اول پاوربانک نگاهی انداختیم بر اصول اولیه پاوربانک‎ها، بلوک دیاگرام کلی را توصیف کردیم و ویژگی‎های مهم و مشترک بین پاوربانک‎ها را بیان کردیم. در این قسمت به صورت ریز بینانه‎تر و با استفاده از یک سیستم مدرن به بررسی عملکرد یک پاوربانک می‎پردازیم.

SoCها (SoC= سیستم روی تراشه) به واسطه وسایل جانبی مانند PWMها (مدولاتور عرض پالس)، تایمرها، ADCها (مبدل آنالوگ به دیجیتال)، مقایسه‎گر ها، تقویت‎کننده‎ها و دیگر عملکردهای داخل یک دوایس، یکپارچه سازی بهتر و بیشتر سیستم‎ها را فراهم می‎کنند. SoCها مانند PSoCها همچنین بلوک‎های قابل تنظیم دیجیتال و آنالوگ را فراهم می‎کنند که می‎تواند برای به کار گیری اکثر ویژگی‎ سیستم‎های آنالوگ و دیجیتال بکار گرفته شود. توانایی یکپارچه سازی بسیاری از قطعات در یک SoC تکی، بدون اجزای مجزا مانند ماسفت‎ها، سلف‎ها، دیودها و خازن‎های خارج از تراشه، به توسعه دهندگان امکان کنترل بیشتری را برای عملکرد سیستم می‎دهد در صورتی که هزینه‎های BOM (صورت حساب قطعات) را کاهش میدهد.

بیایید نگاه ریز بینانه‎تری بیندازیم بر بلوک‎هایی که در قسمت اول مشاهده کردید.

شارژر

همانطور که قبلا بحث شد، یک شارژر هم باید از کنترل جریان ثابت CC و هم از کنترل ولتاژ ثابت CV بهره بجوید. برای بکار گیری مشخصه‎ی باتری لیتیوم یون، بلوک‎های وظیفه‎ی زیر نیاز هستند.

  1. یک رگولاتور یا تنظیم کننده‎ی سوئیچینگ که می‎تواند هم ولتاژ و هم جریان خروجی را کنترل کند.
  2. مدار اندازه گیری پارامتر باتری (ولتاژ، جریان و دما)
  3. الگوریتم شارژ (برای اجرای مشخصه‎ی CC و CV)

این موضوع در شکل ۱ نشان داده شده است.

بلوک دیاگرام یک شارژر باتری لیتیوم یون

شکل ۱- بلوک دیاگرام یک شارژر باتری لیتیوم یون

توپولوژی رگولاتور سوئیچینگ باک

شکل ۲ – توپولوژی رگولاتور سوئیچینگ باک

 

شکل ۲ نشان دهنده‎ی یک رگولاتور سوئیچینگ با استفاده از توپولوژی باک است. مبدل باک شامل ماسفت (T)، سلف (L) دیود (D) و خازن (C) است. R1 و R2 یک مقسم ولتاژ را تشکیل می‎دهند تا ولتاژ باتری را اندازه‎ گیری کنند. Rs مقاومت شنتی است که جریان باتری را اندازه‎گیری می‎کند. خروجی رگولاتور سوئیچینگ توسط دیوتی سایکل (D) مدولاتور عرض پالس (PWM) تنظیم می‎شود. برای بکارگیری خروجی جریان ثابت، دیوتی سایکل بر اساس جریان اندازه‎گیری شده از طریق Rs کنترل می‎شود. برای بکارگیری کنترل خروجی ولتاژ ثابت، دیوتی سایکل بر اساس ولتاژ اندازه‎گیری شده از طریق مقاومت‎های R1 و R2 کنترل می‎شود.

پارامتر‎های باتری

اندازه گیری توسط ADC

شکل ۳ – اندازه گیری توسط ADC

شکل ۳ نشان دهنده‎ی مدار اندازه‎گیری تمامی پارامترهای باتری یعنی ولتاژ، جریان و دما است. مقاومت‎های R1 و R2 ولتاژ و Rs جریان باتری را تعیین می‎کنند. دمای باتری توسط ترمیستور Rt اندازه‎گیری می‎شود. Rref و Rt یک مقسم ولتاژ را تشکیل می‎دهند. با ثابت بودن Rref مقدار Rt می‎تواند توسط اندازه‎گیری ولتاژ این مقسم ولتاژ بدست آید. وقتی که مقدار Rt محاسبه شد دما می‎تواند به راحتی توسط یک روش جدول مقایسه‎ای یا با استفاده از روش Steinhart-Hart محاسبه شود.

هر کدام از این سیگنال‎ها نیازمند یه بهره تفاضلی هستند. انعطاف پذیری یک معماری SoC قابل برنامه‎ریزی تغییر بهره تقویت کننده حین فعالیت را ممکن می‎سازد.

وقتی که ولتاژ، جریان و دمای باتری اندازه‎گیری شدند، CPU الگوریتم شارژ را تعیین می‎کند تا ولتاژ و جریان خروجی رگولاتور سوئیچینگ به واسطه‎ی تنظیم دیوتی سایکل PWM کنترل شود.

الگوریتم شارژ

CPU الگوریتم شارژ را تعیین می‎کند. CPU ولتاژ، جریان و دمای باتری را می‎خواند و مشخصه‎ی شارژی که در ادامه توضیح داده می‎شود را پیاده‎سازی می‎کند.

طی شارژ اصلی، CPU جریان شارژ را اندازه‎گیری می‎کند و دیوتی سایکل  PWMرا تعیین می‎کند تا جریان ثابت را حفظ کند. به طور همزمان، CPU ولتاژ باتری را رصد می‎کند و در صورت رسیدن به استانه‎ی شارژ کامل عمل بعدی را انجام دهد.

وقتی که باتری به آستانه‎ی شارژ کامل رسید، CPU ولتاژ را اندازه‎گیری کرده و دیوتی سایکل PWM را طوری تنظیم می‎کند تا ولتاژ ثابت بماند. به طور همزمان، CPU جریان باتری را رصد می‎کند تا در صورت رسیدن جریان شارژ به سطح آستانه، عمل بعدی صورت گیرد.

کنترل ولتاژ ثابت یا جریان ثابت بسته به ملزومات سیستم و پهنای باند قابل دسترس CPU می‎تواند با استفاده از یک روش کنترل دیجیتال مانند P، PI یا PID محقق گردد.

پارامترهای ADC و PWM

برخی از پارامترهایی که حین طراحی باید مد نظر قرار داده شوند وضوح (resolution)، دقت ADC و وضوح PWM هستند.

وضوح ADC میزان دقت اندازه‎گیری سیگنال فیدبک را تعیین می‎کند. این بر روی ریپل ولتاژ باتری و جریان باتری تاثیر گذار است.

در باتری‎های لیتیوم یون اندازه‎گیری ولتاژ باتری بسیار حیاتی است. بیشینه تلرانسی که برای آستانه شارژ کامل مورد قبول است ۴٫۲V+50mV است. چنین چیزی یک وضوح ADC حداقل ۰٫۵% را می‎طلبد.

وضوح PWM تعیین می‎کند با چه دقتی می‎توانید جریان و ولتاژ خروجی را کنترل کنید که این موضوع خود بر ریپل ولتاژ و جریان خروجی تاثیر گذار است. هرچه وضوح بیشتر باشد، فرکانس خروجی PWM پایین‎تر است در نتیجه خازن و سلف بزرگ‎تری مورد نیاز است. وقتی پاوربانک فشرده‎تر می‎شود، سایز به یک دغدغه‎ی مهم طراحی تبدیل می‎شود. بنابراین بین سایز و وضوح PWM باید یک مصالحه صورت بگیرد.

تشخیص منبع شارژ

همانطور که در بخش اول بحث شد پاربانک‎ها می‎توانند به منابع شارژ مختلفی مانند کامپیوتر، لپ تاپ یا شارژر دیواری متصل شوند تا باتری داخلی خود را شارژ کنند. تشخیص نوع منبع شارژی که پاور بانک به آن متصل می‎شود جهت جذب جریان بهینه، بسیار مهم است.

مشخصه‎ی شارژ باتری BC1.2 یک روش جهت تشخیص نوع منبع شارژ (SDP، DCP یا CDP) که پاور بانک به آن متصل می‎شود معرفی می‎کند.

  • تشخیص اولیه: ۰٫۶ ولت به D+ متصل می‎شود و سیگنال روی D- اندازه‎گیری می‎شود. اگر سیگنال روی این خط کمتر از ۰٫۴ ولت باشد، آنگاه منبع شارژ SDP است. اگر سیگنال بزرگ‎تر از ۰٫۴ ولت باشد آنگاه منبع شارژ می‎تواند CDP یا DCP باشد که در این موقعیت تشخیص ثانویه باید صورت بگیرد.
  • ۶ ولت به D- متصل و سیگنال روی خط D+  اندازه‎گیری می‎شود. اگر این سیگنال بیشتر از ۰٫۴ ولت باشد، منبع شارژ DCP و در غیر این صورت CDP است.

منطق فوق ممکن است توسط بکارگیری DACها و ADC در تراشه های روی برد (SOC) بکار روند. شکل ۴ بلوک دیاگرام تشخیص منبع شارژ را نشان می‎دهد. دو DAC برای تولید بایاس ۰٫۶ ولت برای D+ و D- استفاده می‎شوند و ولتاژ روی خط دیگر توسط ADC اندازه‎گیری می‎شود. وقتی که نوع منبع شارژ تشخیص داده شد، بیشینه جریان شارژ جذب شده از منبع تعیین می‎شود.

تشخیص منبع شارژ

شکل ۴ – تشخیص منبع شارژ

مبدل بوست

مبدل سوئیچینگ بوست، ولتاژ باتری را به ولتاژ ثابت ۵ ولت خروجی تبدیل می‎کند تا گجت‎های همراه خارجی را شارژ کند. از آنجا که در پاوربانک بازده مبدل بوست در بار کامل باید حداقل ۸۵% باشد، یک مبدل بوست همگام مورد نیاز است. شکل ۵ توپولوژی یک مبدل بوست همگام (synchronous) را به تصویر کشیده است.

توپولوژی مبدل بوست همگام

شکل ۵- توپولوژی مبدل بوست همگام

PWM1 و PWM2 سیگنال‎های غیر هم فازی هستند که ماسفت‎های سمت پایین و بالای مبدل بوست را درایو می‎کنند. وقتی که T1 روشن است، جریان از طریق سلف جاری می‎شود و سلف انرژی ذخیره می‎کند. وقتی T1 خاموش می‎شود (و T2 روشن) جریان سلف کاهش می‎یابد که این موضوع منجر به ایجاد EMF (نیرو محرکه مغناطیسی) اطراف سلف می‎شود. این EMF تولید شده که به صورت سری با باتری قرار دارد، ولتاژ بالاتری رو روی درین T1 ایجاد می‎کنند. در این مرحله که T2 روشن است، خازن را با ولتاژ بالاتری شارژ می‎کند. با کنترل دیوتی سایکل T1 میزان ولتاژ منتقل شده به خازن و بنابراین ولتاژ خروجی کنترل می‎شود. پردازنده CPU از طریق مقسم ولتاژ R1/R2 ولتاژ خروجی را اندازه‎گیری و دیتوی سایکل PWM را تنظیم می‎کند تا به ولتاژ خروجی مورد نظر دست پیدا کند.

مدار شبکه بوست (افزاینده)

شکل ۶ – مدار شبکه بوست (افزاینده)

شکل ۶ نشان دهنده‎ی مدار کنترل فیدبک مبدل سوئیچینگ بوست است. CPU هم ولتاژ و هم جریان مبدل بوست را اندازه گیری می‎کند. همانطور که گفته شد، ولتاژ خروجی از طریق مقسم ولتاژ R1/R2 اندازه‎گیری می‎شود. CPU از حلقه‎ی کنترل PI یا PID استفاده می‎کند و دیوتی سایکل PWM را تنظیم می‎کند. پاسخ‎گویی حلقه کنترل باید به نحوی باشد که از اورشوت و آندرشوت خروجی حین تغییر بار جلوگیری کند.

CPU همچنین جریان بار را از طریق Rs اندازه گیری می‎کند تا اضافه بار را تشیخص دهد و همچنین حین شارژ کامل گجت همراه، مبدل بوست را متوقف تا جریان بیشتری نکشد.

محافظت باتری

محافظت‎های مختلف باتری عبارتند از:

محافظت اضافه شارژ: ولتاژ باتری‎های لیتیوم یون حین شارژ نباید فراتر از ۴٫۲۵ ولت باشد. در صورتی که ولتاژ به ۴٫۲۵ ولت برسد، عمل شارژ باید خاتمه یابد.

محافظت اضافه دما: در صورتی که دمای باتری حین شارژ از ۵۰ درجه سلسیوس فراتر رود، عمل شارژ باید خاتمه یابد.

محافظت تخلیه بیش از حد: وقتی که ولتاژ باتری کمتر از ۳ ولت باشد (البته برخی از تولید کنندگان این آستانه را ۲٫۸ ولت در نظر می‎گیرند) مبدل سوئیچینگ بوست باید خاموش شود و بیشتر از این باتری را تخلیه نکند.

محافظت اضافه بار و اتصال کوتاه: وقتی که جریان باتری فراتر از آستانه شود، عمل تخلیه باید متوقف شود.

از آنجا که CPU جریان و ولتاژ باتری حین شارژ و دشارژ را اندازه‎گیری می‎کند، SoCها می‎توانند تمامی حفاظت‎های فوق را پیاده‎سازی کنند. با این حال تولید کنندگان پاور بانک ترجیح می‎دهند از مدارهای محافظ بیرون از CPU استفاده کنند. علت این است که آن‎ها میخواهند این اطمینان حاصل شود که در صورت معیوب شدن CPU، باتری همچنان محافظت خواهد شد. در واقع، پاوربانک‎هایی که از SoC بهره می‎جویند، دارای محافظت در دو سطح هستند.

شکل ۷ بلوک دیاگرام پاوربانک با استفاده از CY8C24423A را نشان می‎دهد.

بلوک دیاگرام پاور بانک با رویکرد مدار مجتمع

شکل ۷ – بلوک دیاگرام پاور بانک با رویکرد مدار مجتمع

جدول ۱ مزایای بکارگیری یک پاور بانک با استفاده از SoC در مقایسه با راه‎حل‎های دیگر مبنی بر دیواس‎های مجزا را بررسی می‎کند.

جدول 1  - مقایسه پیاده سازی پاوربانک ها

جدول ۱ – مقایسه پیاده سازی پاوربانک ها

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.

Read more

سخنی با داوطلبان کنکور کارشناسی ارشد برق

 

سلام

من به عنوان یک داوطلب کنکور کارشناسی ارشد برق در گرایش الکترونیک قدرت تصمیم گرفتم تجربیات خود در این مسیر را در این پست در اختیار دوستانی قرار دهم که قرار است جهت کسب درجات علمی بالاتر پس از لیسانس مجددا راهی دانشگاه شوند.

من در کنکور سال ۹۶ موفق به کسب رتبه ۳۵۷ در گرایش سیستم قدرت و رتبه ۴۱۵ در گرایش الکترونیک قدرت شدم. اشتباهات زیادی کردم که باعث شدند این رتبه در بدترین حالت ممکن کسب شود.

Read more

مبدل سوئیچینگ بوست (Boost)

مبدل سوئیچینگ بوست مبدلی است که سطح ولتاژ ورودی به خروجی را افزایش داده در حالیکه سطح جریان را کاهش می‎دهد. مبدل بوست، کلاسی از منابع تغذیه سوئیچینگ به حساب می‎آید و به طور معمول شامل دو نیمه‎هادی (یک دیود و یک ترانزیستور) و حداقل یک المان دخیره کننده می‎شود (سلف یا خازن یا ترکیبی از هردو). جهت کاهش ریپل ولتاژ فیلترهایی از جنس خازن (گاهی ترکیب با سلف) به خروجی و ورودی این مبدل‎های سوئیچینگ اضافه می‎گردد.

Read more

مبدل سوئیچینگ باک (Buck)

یک مبدل باک یا کاهنده در واقع یک مبدل قدرت DC به DC است که سطح ولتاژ ورودی به خروجی را کاهش می‎دهد (درحالی که سطح جریان را افزایش می‎دهد). این مبدل، کلاسی از منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) به حساب می‎آید و به طور معمول شامل دو نیمه‎هادی (یک دیود و یک ترانزیستور) و حداقل یک المان دخیره کننده می‎شود (سلف یا خازن یا ترکیبی از هردو). جهت کاهش ریپل ولتاژ فیلترهایی از جنس خازن (گاهی ترکیب با سلف) به خروجی و ورودی این مبدل‎های سوئیچینگ اضافه می‎گردد.

Read more

معرفی منابع تغذیه سوئیچینگ

همانطور که قبلا نیز ذکر شد، یک منبع تغذیه سوئیچینگ یا switched mode power supply یا SMPS یک منبع تغذیه الکترونیکی است که با استفاده از رگولاتور سوئیچینگ توان الکتریکی را با بازده بالا تبدیل می‎کند. منابع تغذیه سوئیچینگ مانند دیگر منابع تغذیه، در حالیکه مشخصه ولتاژ و جریان را تغییر می‎دهند، توان را از یک منبع DC یا AC دریافت می‎کنند و به بار DC همچون کامپیوتر تحویل می‎دهند. برخلاف منابع تغذیه خطی، ترانزیستور(های) منابع تغذیه سوئیچینگ یا در حالت قطع کامل یا در حالت وصل کامل هستند و فقط در بازه‎های بسیار کوتاه دارای تلفات می‎باشند که از هدر رفتن انرژی تا حدود بسیاری جلوگیری می‎کنند. به طور “ایده‎آل” یک منبع تغذیه سوئیچینگ هیچ انرژی‎ای را تلف نمی‎کند.

رگولاسیون ولتاژ از طریق تغییر بازه‎ی روشن یا خاموش بودن ترانزیستور محقق می‎شود. بر خلاف آنچه که در SMPS ها وجود دارد، در منابع تغذیه خطی رگولاسیون ولتاژ از طریق اتلاف مداوم توان در ترانزیستور(ها) صورت می‎گیرد. مزیت بسیار مهم منابع تغذیه سوئیچینگ، بازده بالای تبدیل توان است.

رگولاتورهای سوئیچینگ وقتی با منابع تغذیه خطی جایگزین می‎شوند که کاربر به بازده بالاتر، وزن و سایز کوچک‎تر نیاز دارد. البته این منابع تغذیه دارای پیچیدگی بیشتری هستند، می‎توانند مشکلات نویز به همراه داشته باشند و طراحی‎های ساده می‎توانند مشکلات ضریب توان پایین داشته باشند.

Read more

دانلود فایل‌های دوره تعمیر و عیب یابی منابع تغذیه سوئیچینگ

جهت سهولت در دانلود، محتوای این دوره در ۴ فایل تقسیم شده است که دانشجویان میتوانند در ادامه آن‌ها را دانلود نمایند.

Read more

پیش ثبت نام دوره تخصصی عیب‌یابی و تعمیر منابع تغذیه سوئیچینگ – شهریور ۹۵

اولین دوره عیب یابی و تعمیر منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) در اصفهان با همکاری انجمن برق دانشگاه آزاد اصفهان به صورت آزمایشی در شهریور ۱۳۹۵ برگزار خواهد گردید. تعداد نفراتی که برای این دوره ثبت نام خواهند شد فقط ۱۵ نفر خواهند بود و همچنین، داوطلبان برای آشنایی بیشتر با موضوع این دوره و دوره‌های طراحی و ساخت، جلسه نخست را به صورت رایگان شرکت کنند و پس از آن برای ثبت نام نهایی تصمیم اتخاذ نمایند. لذا پر کردن فرم پیش ثبت نام در این صفحه به منزله ثبت نام نهایی نخواهد بود.

Read more