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