چیپ کنترل شارژر USB بدون استفاده از میکروکنترلر

هنگامی که با استفاده از میکروکنترلر ها، SoC ها یا LCD ها و صفحات لمسی پروژه ای ساخته می شود اغلب استفاده از یک تبلت یا گوشی هوشمند ارزان قیمت در پروژه هم مفید است. در این وضعیت یکی از مهمترین مسایل تهیه یک منبع تغذیه پایدار و مداوم و مناسب برای شارژ دستگاه است. هر کسی اقدام به ساخت شارژر کند خیلی زود متوجه می شود که ساخت شارژر کار چندان ساده ای نیست. صرفا وصل کردن خروجی شارژر به پایه های زمین و 5+ ولت سوکت USB کافی نیست. مشخصات شارژ دیگری هم هست که باید مد نظر قرار گرفته شود. اگر شارژر وضعیت لازم را بر روی خطوط دیتای USB فراهم نکند، فرایند شارژ مختل می شود. ولی حالا یک چیپ 6 پایه به کمک ما آمده است.

شاید فکر کنید ساخت یک شارژر 5 ولت برای تبلت یا گوشی کار ساده ای است ولی در واقع اینطور نیست . دستگاه های قابل حمل مثل تبلت و موبایل در مورد وضعیت شارژ کاملا به صورت فازی در ارتباط با شارژر هستند. امروزه شارژر ها چیزی بیشتر از ایجاد یک ولتاژ 5 ولت در خروجی شارژر هستند. تصور عامه بر این است که یک شارژر USB 5 ولتی استاندارد میتواند همه دستگاه های موبایل را شارژ کند ولی امروزه علاوه بر جریان 5 ولتی ، خطوط داده نیز باید به صورت صحیح به کار گرفته شوند چون در غیر این صورت دستگاه شارژ نمی شود. همانطور که در تصویر 2 میبینید برخی از شرکت ها ایده هایی برای اتصال خطوط داده ارائه کرده اند ولی این روش ها نه تنها کمکی نمی کنند بلکه موضوع را پیچیده تر هم می کنند.

مساله ویژگی های شارژر
کار چندان منطقی نیست که در هنگام طراحی شارژر ، صرفا مشخصات شارژ مورد نیاز برای دستگاهی که در حال حاضر در حال استفاده از آن هستیم را مد نظر قرار دهیم. ممکن است لازم باشد دستگاهتان را خیلی زودتر از انچه که فکر میکنید عوض کنید. آنوقت شما میمانید و یک شارژر قدیمی بدرد نخور. حالا که دارید یک شارژر میسازید چرا شارژری نسازید که (تقریبا) همه کاره باشد و مشخصات الکتریکی درستی داشته باشد تا بتواند همه دستگاه ها را شارژ کند؟
راه های مختلفی برای ساخت یک شارژر هوشمند USB بدون استفاده از یک میکروکنترلر وجود دارد. بر اساس دستور العمل DCP ( Dedicated Charging Port = پورت شارژ اختصاصی- در اینجا نسخه 1.2 این دستور العمل لحاظ شده است) میبایست خطوط داده USB را بر اساس تصویر 3 بهم وصل شوند. این تصویر ارتباط بین یک دستگاه موبایل در سمت چپ و شارژر استاندارد با DCP در سمت راست را نشان می دهد.
متاسفانه همه شرکت های سازنده از این استاندارد تبعیت نمیکنند و برخی ترجیح میدهند از طرح های خودشان استفاده کنند. مثلا شرکت اپل از یک شبکه تقسیم ولتاژ مخصوص به خود استفاده میکند که در تصویر 2 مشخص است. اگر مقدار مشخص شده ولتاژ بر روی پین های داده موجود نباشد، فرایند شارژ شروع هم نخواهد شد. دلیل این طراحی شرکت اپل، جلوگیری از ایجاد خسارت برای دستگاه های مورد استفاده توسط کاربر نهایی به دلیل استفاده احتمالی از شارژر های متفرقه است.

چیپی با فقط 6 پایه
شرکت تگزاس اینسترومنت در حال حاضر انواع بسیار مختلفی از چیپ ها و ابزار های مختلف برای استفاده در قسمت منبع تغذیه دارد. جالب است بدانید که این شرکت برای حل مشکلات شارژر نیز راه حلی ارائه کرده است: یک سری چیپ بسیار کوچک به اسم خانواده TPS251X. این چیپ ها صرفا برای استفاده در شارژر های USB و اتصال دو سر داده طراحی شده اند. در زمان اتصال به منبع نیرو ، این چیپ به صورت خودکار ولتاژ خطوط داده USB را زیر نظر میگیرد و باز هم به صورت خودکار مشخصات الکتریکی خطوط داده برای شارژ دستگاه را فراهم میکند.
از نقطه نظر فنی استفاده از این چیپ برای شارژر USB نیاز به طراحی خاصی ندارد. اگر قصد استفاده از این چیپ را داشته باشید کافی است همینقدر بدانید که این چیپ سیگنال هایی بر روی خطوط داده USB فراهم میکند که به دستگاه موبایل مربوطه میگوید که این شارژر قادر به ارائه 5 وات ( شارژ استاندارد) یا 10 وات ( شارژ قدرتی) است (شکل 4).

چیپ ست سری TPS251xx صرفا خطوط دیتا را متصل میکند و حتی در برگه راهنمای این قطعه هم در مورد محدودیت جریان و لتاژ شارژ توضیحی داده نشده است. شرکت تگزاس اینسترومنتس چیپ TPS2561A را هم ارائه کرده است که یک کلید دو کاناله توزیع نیرو است و ارزشش را دارد که توسط هر مهندسی که قصد کار بر روی شارژر های USB را دارد، مد نظر قرار گیرد. این چیپ به خط نیروی USB وصل می شود و جریان شارژر را تغییر میدهد. جزئیات بیشتر در مورد موارد کاربرد این قطعه بدور از موضوع بحث این مقاله است. در مورد مساله مورد بحث ما قائده کلی این است: شارژر میبایست قادر باشد که مقدار ولتاژ مورد نیاز برای شارژ دستگاه موبایل مورد نظرمان را فراهم کند.

آزمایش
این چیپ فقط 6 پایه دارد و فقط در بسته بندی SMD SOT23 توسط شرکت تگزاس اینسترومنتس تولید شده است. اندازه کوچک این قطعه کار بر روی آن برای ساخت یک نمونه اولیه را مشکل میکند. بهترین راه نصب این قطعه بر روی یک برد تبدیل است. با این روش شما میتوانید این قطعه را به راحتی نصب کرده یا بیرون بیاورید بدون اینکه نیازی به لحیم کردن مجدد آن باشد و نگران قطعی و اتصالی و دیگر مشکلات لحیم کردن باشید.

مرحله بعدی قرار دادن برد در یک هدر مادگی سه تایی و نصب سوکت USB است. توجه داشته باشید که بیشتر سوکت های USB دارای پایه های نصب بزرگتری نسبت به پایه های اصلی هستند که نیازمند سوراخ هایی با قطر بزرگتر می باشند تا در داخل PCB جابگیرند. پایه های نصب اغلب بخشی از حفاظ کانکتور محسوب می شوند و میتوان آنها را به زمین دستگاه وصل کرد. با استفاده از این پایه ها سوکت محکم به برد میچسبد و احتمال کمتری وجود دارد که کنده شود. البته چون این یک برد نمونه است این پایه ها وصل نشدند.
اما در مورد قسمت الکترونیکی کار: در برگه راهنمای قطعه، استفاده از خازن سرامیکی بین پایه های داده توصیه شده است. استفاده از خازن باعث کاهش خطر شوک ولتاژی می شود که ممکن است با اتصال دستگاه به منبع نیرو ایجاد شود. حالا به یک منبع تغذیه مناسب نیاز داریم در این پروژه از منبع تغذیه HP6624A استفاده شده است. ولتاژ خروجی بر روی 5 ولت و محدودیت جریان بر روی 3 آمپر تنظیم شد. با توجه به مقدار جریان باید توجه داشت که از کابل های بلند با ضخامت کم استفاده نشود. در غیر اینصورت مقدار تلفات بسیار زیاد خواهد بود. ولتاژ خروجی را میتوانید در صورت لزوم تا 5.1 ولت نیز افزایش دهید ولی از این مقدار بالاتر نبرید. حالا وقت تست برد بر روی چند دستگاه است.
در ابتدا این برد بر روی یک بلک بری Q10 تست شد. این دستگاه در حساس بودن به نوع شارژر بسیار معروف است. پس از اتصال، دستگاه پیغام داد که نوع کابل برای شارژ مناسب نیست و سرعت شارژ پایین خواهد بود. ولی بعد از یکی دو ثانیه این پیام از بین رفت و دستگاه آمپرمتر مقدار 1 آمپر را برای شارژ ثبت کرد. با وجود پیغام داده شده ، دستگاه به حال شارژ سریع وارد شد. دستگاه مورد تست بعدی کیندل فایر بود مقدار جریان ثبت شده بین 1.6 تا 1.8 آمپر نشان میداد که این دستگاه نیز مشکلی با شارژر ساخته شده ندارد.

حل مشکل
مداراتی که با اتصالات پورت USB سر و کار دارند میتوانند منبع مشکل باشند. اغلب مشکل به مشخصات خاص مقدار ولتاژ USB بر میگردد. شارژ در حالت نیرو در حدود 2 آمپر جریان می کشد که میتواند کاهش ولتاژ غیر قابل قبولی در کانکتور های USB، مسیر برد PCB و کابل های باریک ایجاد کند.
اگر در مسیر کابل USB از بلوک های ترمینال برای ایجاد اتصال استفاده کنید کاهش ولتاژی در حدود چند صد میلی ولت ایجاد می شود. دستگاهی که در حال شارژ است این اختلاف ولتاژ را متوجه می شود و از حالت فست شارژ به حالت معمولی تغییر پیدا میکند و یا کلا فرایند شارژ را متوقف میکند. ( شکل 6 را ببینید)

از کابل های با کیفیت استفاده کنید
یکی از مشکلات من کابل های microUSB با کیفیت پایین است. کابل های طولانی و نازک باعث افت ولتاژ زیادی می شوند و باعث می شوند که دستگاه به حالت شارژ اهسته تغییر حالت بدهد.
نتیجه گیری
وقتی یک شارژر USB صرفا تک منظوره طراحی میکنید ممکن است خیلی برایتان اهمیتی نداشته باشد که از کنترل کننده های پورت شارژی از قبیل TPS215xx استفاده کنید. همانطور که در ابتدا هم گفتیم استفاده از این چیپ ها در طراحی مدار چندان سخت و دشوار نیست و هزینه بالایی هم ندارند ولی چیزی که به دست می اورید انعطاف بیشتر و شارژری است که دستگاه های بیشتری را نیز پشتیبانی میکند.

انواع IC

شرکت تگزاس اینسترومنتس 4 نوع مختلف ای سی در قالب خانواده TPS251xx ارائه میدهد. نسخه TPS2513x از دو پورت USB پشتیبانی میکند در حالی که نسخه TPS2514x فقط از یک پورت پشتیبانی میکند. نسخه هایی که دارای پسوند A هستند یا پسوندی ندارند از انواع مختلف تقسیم کننده ولتاژ پشتیبانی میکنند برخی از تبلت ها و گوشی های هوشمند که از نوع A پشتیبانی میکنند میتوانند تا 12 وات شارژ دریافت کنند. توضیحات بیشتر در مورد این تراشه ها را میتوانید در برگه هار راهنمایشان پیدا کنید.

مدارات تغذیه بسیار متنوع بوده و با روشهای بسیار مختلفی می توانید انواع مدارات شارژر را بسازید. اگر تجربه ای متفاوت در این زمینه دارید، حتما با ما در میان بگذارید.