مضخة الشحن

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
مضخة شحن ثنائية المراحل مزودة بمصدر جهد تيار مستمر وإشارة تحكم بالمضخة S 0
مضخة شحن ديكسون مزودة بثنائيات
مضخة شحن ديكسون مزودة بترانزستورات MOSFET
مضخة شحن PLL

مضخة الشحن هي نوع من محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر التي تستخدم المكثفات لتخزين الشحنة الكهربائية لرفع أو خفض الجهد . تتميز دوائر مضخة الشحن بكفاءة عالية ، تصل أحيانًا إلى 90-95%، مع كونها دوائر كهربائية بسيطة.

وصف

تستخدم مضخات الشحن نوعًا من أجهزة التبديل للتحكم في توصيل جهد التغذية عبر الحمل من خلال مكثف في دورة ثنائية المراحل. في المرحلة الأولى، يُوصل مكثف عبر مصدر التغذية، فيشحنه إلى نفس الجهد. في المرحلة الثانية، يُعاد تهيئة الدائرة بحيث يكون المكثف موصولًا على التوالي مع مصدر التغذية والحمل. هذا يُضاعف الجهد عبر الحمل - وهو مجموع جهد مصدر التغذية الأصلي وجهد المكثف. غالبًا ما يتم تنعيم طبيعة النبضات الناتجة عن الجهد العالي المُبدّل باستخدام مكثف خرج.

تقوم دائرة خارجية أو ثانوية بتشغيل عملية التبديل، عادةً بترددات تتراوح من عشرات الكيلوهرتز إلى عدة ميغاهرتز. يقلل التردد العالي من كمية السعة المطلوبة، حيث تقل كمية الشحنة التي يجب تخزينها وتفريغها في دورة أقصر.

يمكن لمضخات الشحن مضاعفة الفولتية، ومضاعفة الفولتية ثلاث مرات، وخفض الفولتية إلى النصف، وعكس الفولتية، ومضاعفة الفولتية أو تغيير حجمها بشكل كسري (مثل × 3 ⁄ 2 ، × 4 ⁄ 3 ، × 2 ⁄ 3 ، إلخ) وتوليد فولتية عشوائية عن طريق التبديل السريع بين الأوضاع، اعتمادًا على وحدة التحكم وطوبولوجيا الدائرة.

تُستخدم هذه الأجهزة بشكل شائع في الإلكترونيات منخفضة الطاقة (مثل الهواتف المحمولة) لرفع وخفض الفولتية لأجزاء مختلفة من الدوائر - مما يقلل من استهلاك الطاقة عن طريق التحكم في فولتية الإمداد بعناية.

مصطلحات PLL

يُستخدم مصطلح "مضخة الشحن" بشكل شائع في دوائر الحلقة المغلقة الطورية (PLL)، على الرغم من عدم وجود عملية ضخ فعلية فيها، على عكس الدائرة المذكورة سابقًا. مضخة الشحن في دائرة PLL هي ببساطة مصدر تيار ثنائي القطب مُبدَّل. وهذا يعني أنها قادرة على إخراج نبضات تيار موجبة وسالبة إلى مرشح الحلقة في دائرة PLL. ولا يمكنها توليد جهود أعلى أو أقل من مستويات جهد التغذية الأرضية والطاقة.

التطبيقات

  • يُعد استخدام دوائر مضخة الشحن في محولات مستوى RS-232 تطبيقًا شائعًا ، حيث يتم استخدامها لاستخلاص الفولتية الموجبة والسالبة (غالبًا +10 فولت و -10 فولت) من خط إمداد طاقة واحد 5 فولت أو 3 فولت .    
  • يمكن أيضًا استخدام مضخات الشحن كمحركات لشاشات LCD أو مصابيح LED البيضاء ، حيث تولد جهد انحياز عالي من مصدر جهد منخفض واحد، مثل البطارية.
  • تُستخدم مضخات الشحن على نطاق واسع في ذاكرات NMOS والمعالجات الدقيقة لتوليد جهد سالب "VBB" (حوالي -3  فولت)، والذي يتم توصيله بالركيزة. يضمن هذا أن جميع وصلات N+-إلى-الركيزة منحازة عكسيًا بمقدار 3  فولت أو أكثر، مما يقلل من سعة الوصلة ويزيد من سرعة الدائرة. [ 1 ]
  • تم استخدام مضخة شحن توفر ارتفاعًا مفاجئًا في الجهد السالب في الألعاب المتوافقة مع جهاز NES والتي لم تحصل على ترخيص من نينتندو، وذلك بهدف تعطيل شريحة قفل نظام نينتندو الترفيهي . [ 2 ]
  • اعتبارًا من عام 2007، أصبحت مضخات الشحن مُدمجة في جميع الدوائر المتكاملة تقريبًا لذاكرة EEPROM وذاكرة الفلاش . تتطلب هذه الأجهزة نبضة جهد عالٍ "لمسح" أي بيانات موجودة في خلية ذاكرة معينة قبل كتابة قيمة جديدة عليها. كانت أجهزة ذاكرة EEPROM وذاكرة الفلاش المبكرة تتطلب مصدرَي طاقة: +5  فولت (للقراءة) و+12  فولت (للمسح). اعتبارًا من عام 2007، تتطلب ذاكرة الفلاش وذاكرة EEPROM المتوفرة تجارياً مصدر طاقة خارجي واحد فقط - عادةً 1.8  فولت أو 3.3  فولت. يتم توليد جهد أعلى، يستخدم لمسح الخلايا، داخليًا بواسطة مضخة شحن موجودة على الشريحة.
  • تُستخدم مضخات الشحن في جسور H في دوائر القيادة عالية الجهد لتشغيل بوابات ترانزستورات MOSFET و IGBT من نوع n-channel عالية الجهد . عندما ينخفض ​​جهد منتصف نصف الجسر، تُشحن المكثفة عبر ثنائي، وتُستخدم هذه الشحنة لاحقًا لتشغيل بوابة ترانزستور MOSFET عالي الجهد ببضع فولتات فوق جهد المصدر. تعمل هذه الاستراتيجية بكفاءة، شريطة أن يتم تشغيل الجسر بانتظام، مما يُغني عن الحاجة إلى مصدر طاقة منفصل، ويسمح باستخدام ترانزستورات n-channel الأكثر كفاءة لكلا المفتاحين. تُسمى هذه الدائرة (التي تتطلب التشغيل الدوري لترانزستور MOSFET عالي الجهد) أيضًا بدائرة "التشغيل الذاتي"، وقد يُفرق البعض بينها وبين مضخة الشحن (التي لا تتطلب هذا التشغيل).
  • توليد إشارة انحراف رأسي عالية الجهد لشاشات أنبوب أشعة الكاثود (CRT)، على سبيل المثال باستخدام الدائرة المتكاملة TDA1670A. لتحقيق أقصى انحراف، يحتاج ملف أنبوب أشعة الكاثود إلى حوالي 50  فولت. استخدام مضاعف جهد مضخة الشحن من  مصدر طاقة موجود بجهد 24 فولت يُغني عن الحاجة إلى مصدر جهد إضافي.
  • تعتمد حلول الشحن السريع عالية الطاقة للأجهزة المحمولة على مضخة شحن بدلاً من محول خافض للجهد، حيث تقلل الكفاءة العالية من توليد الحرارة. يستطيع هاتف سامسونج A23، الذي يستهلك تيارًا كهربائيًا مقداره 3 أمبير ، شحن بطارياته الداخلية بتيار 6 أمبير بفضل مضخة تيار بنسبة 2:1. [ 3 ] أما تقنية SUPERVOOC من أوبو بقدرة 240 واط فتتجاوز ذلك، إذ تستخدم ثلاث مضخات شحن متوازية (بكفاءة مُعلنة تبلغ 98% [ 4 ] ) للانتقال من 24 فولت/10 أمبير إلى 10 فولت/24 أمبير، والتي يتم استهلاكها بعد ذلك بواسطة بطاريتين متوازيتين. [ 5 ]   

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جين، ف. "دائرة انحياز الركيزة"، براءة اختراع أمريكية رقم 3794862A، 26 فبراير 1974.
  2. ↑ كيفن هورتون. كولور دريمز، المراجعة ج . آخر تعديل 2007-09-30. تاريخ الوصول 2011-09-15.
  3. ↑ بيان صحفي (25 يوليو 2022). "الهواتف الذكية - شاحن مباشر بمضخة شحن 2:1" . أخبار إلكترونيات الطاقة .
  4. ↑ "OPPO 超级闪充四大技术全面突破,布局多终端、多场景闪充生态 | OPPO 官方网站" . ممن لهم (باللغة الصينية (الصين)).
  5. ↑ ك.، بالاكومار (1 مارس 2022). "أوبو تدّعي مستويات جديدة في الشحن السريع من خلال تقنية SUPERVOOC بقدرة 240 واط - نشرح ذلك" . TechRadar .

تطبيق مفهوم المقاومة المكافئة لحساب فقد الطاقة في مضخات الشحن

مضخات الشحن التي تتبع فيها الفولتية عبر المكثفات نظام الأرقام الثنائية

  • أوينو، ف.؛ إينوي، ت.؛ أوتا، إ. (1986). "تصميم محول مكثفات مُبدَّل جديد بنسبة رفع جهد 2n–1 باستخدام n مكثفات". المؤتمر الدولي لهندسة الدوائر والأنظمة (ISCAS) التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . الصفحات 805-808 . 
  • ستارزيك، جيه إيه؛ يينغ-وي جان؛ فينغجينغ تشيو (مارس 2001). "تصميم مضخة شحن DC-DC قائم على مُضاعِفات الجهد". معاملات IEEE في الدوائر والأنظمة I: النظرية الأساسية والتطبيقات . 48 (3): 350-359 . Bibcode : 2001ITCSR..48..350S . doi : 10.1109/81.915390 .
  • فانغ لين لو؛ هونغ يي (يونيو 2004). "محولات لو ذات المكثفات المبدلة متعددة الرفع ذات خرج موجب". معاملات IEEE في الإلكترونيات الصناعية . 51 (3): 594-602 . Bibcode : 2004ITIE...51..594L . doi : 10.1109/TIE.2004.825344 . S2CID 22202569 . 
  • بن يعقوب، س.؛ كوشنيروف، أ. (2009). "الأساس الجبري لمحولات المكثفات المبدلة ذاتية الضبط". مؤتمر ومعرض IEEE لتحويل الطاقة 2009. ص 1582-1589. doi : 10.1109 /ECCE.2009.5316143 . ISBN  978-1-4244-2893-9. S2CID 12915415 . 
  • ألاساسمه، ي.؛ غريغوري، س. (نوفمبر 2018). "محولات طاقة متكاملة عالية الأداء من نوع رفع وخفض الجهد باستخدام مكثفات تبديلية". مجلة IEEE للمعاملات في الدوائر والأنظمة I: أوراق بحثية عادية . 65 (11): 3970-3983 . Bibcode : 2018ITCSR..65.3970A . doi : 10.1109/TCSI.2018.2863239 . ISSN 1558-0806 . S2CID 52932169 .