الجمهور المستهدف: مدراء هندسة الأجهزة، ومهندسو برمجيات OEM الثابتة، ومهندسو الامتثال الذين يحتاجون إلى فهم اختيار دائرة الشحن المتكاملة، ومنحنى CC-CV، وسلوك الحماية الحرارية JEITA في طرازات أقلام القراءة. جمهور ثانوي: مدراء الجودة الذين يضعون خطط التحقق الحراري، والمهندسون الميدانيون الذين يحللون شكاوى زمن الشحن.
اتصل بنا أحد برامج المدارس في الإمارات في الربع الأول من عام 2026 لأن 14% من أقلام K7 كانت تتوقف عند 87% فقط من الشحن رغم انتقال مؤشر LED إلى اللون الأخضر. السبب الجذري: دائرة شحن بتيار إنهاء 100 mA — مرتفع جدًا لخلية Li-ion 14500 بسعة 800 mAh في K7. أعدنا ضبط تيار الإنهاء إلى 50 mA، فاختفت المشكلة. اختيار دائرة الشحن المتكامل ركيزة أساسية في تصميم قلم القراءة. كل قلم قراءة (B1, B2, F8, K7, KF1, L5, P2, Q6, Q8, T2, Y6) يُشحن بدائرة شحن محددة وبمنحنى CC-CV خاص، وهذا الدليل يستعرض كيف تنعكس هذه الخيارات على زمن الشحن، والسلوك الحراري، وصحة الخلية على المدى الطويل.
1. طوبولوجيات دوائر الشحن الثلاثية التي نستخدمها
نستخدم ثلاث طوبولوجيات لدوائر الشحن: خطية في B1 وB2 وF8 وP2، ومحوّلة رافعة (buck) بمفاتيح تبديل في K7 وKF1 وQ6 وQ8، ومحوّلة buck عالية التيار في L5 وT2 وY6. الشاحن الخطي هو الأقل تكلفة (0.18 دولار في قائمة المواد مقابل 0.42 دولار للمحوّل) لكنه يبدّد فرق الجهد بين الدخل والخرج على شكل حرارة. في B1 بجهد دخل 5 V وخلية 3.7 V وشحن 0.5 A، يبدّد الشاحن الخطي (5.0 - 3.7) × 0.5 = 0.65 W، أي ما يعادل 13% من قدرة الدخل. وفي P2 عند شحن 0.25 A يبلغ التبدّد 0.33 W.
يعمل الشاحن المحوّل buck في K7 وKF1 بتردد 1.2 MHz بكفاءة 92% عند دخل 5 V/1.5 A وخرج 4.2 V/0.8 A. يضيف التحويل 0.24 دولار إلى قائمة المواد لكنه يسمح بمعدلات 1 C دون عقوبة حرارية. تستخدم L5 وT2 وY6 شاحن buck عالي التيار يدعم حتى 3 A خرج بكفاءة 94%.
| الطراز | طوبولوجيا الشاحن | أقصى تيار شحن | الكفاءة عند الحد الأقصى | التبدّد الحراري | نطاق جهد الخلية |
|---|---|---|---|---|---|
| B1 | خطي | 350 mA | 74% | 0.65 W | 3.0–4.2 V |
| B2 | خطي | 400 mA | 74% | 0.78 W | 3.0–4.2 V |
| F8 | خطي | 300 mA | 74% | 0.54 W | 3.0–4.2 V |
| K7 | Buck محوّل | 800 mA | 92% | 0.32 W | 3.0–4.2 V |
| KF1 | Buck محوّل | 800 mA | 92% | 0.32 W | 3.0–4.2 V |
| L5 | Buck محوّل | 1,200 mA | 94% | 0.46 W | 3.0–4.2 V |
| P2 | خطي | 250 mA | 74% | 0.33 W | 3.0–4.2 V |
| Q6 | Buck محوّل | 900 mA | 93% | 0.36 W | 3.0–4.2 V |
| Q8 | مبدّل خافض | ١٬٠٠٠ مللي أمبير | ٩٣٪ | ٠٫٤٠ واط | ٣٫٠–٤٫٢ فولت |
| T2 | مبدّل خافض | ٢٬٥٠٠ مللي أمبير | ٩٤٪ | ١٫١٠ واط | ٣٫٠–٤٫٢ فولت |
| Y6 | مبدّل خافض | ٢٬٠٠٠ مللي أمبير | ٩٤٪ | ٠٫٨٨ واط | ٣٫٠–٤٫٢ فولت |
٢. منحنى التيار الثابت والجهد الثابت (CC-CV)
تُطبّق كل شريحة شحن منحنى CC-CV. يبدأ الشاحن في وضع التيار الثابت بالتيار المقنّ حتى تصل الخلية إلى ٤٫٢ فولت، ثم ينتقل إلى وضع الجهد الثابت محافظًا على ٤٫٢ فولت مع تناقص التيار تدريجيًا. ينتهي الشحن عندما ينخفض التيار دون عتبة مبرمجة. وتيار الإنهاء هو أكثر المعاملات دلالة تشخيصية: إن كان مرتفعًا جدًا يؤدي إلى إنهاء مبكر (مشكلة الإمارات آنفة الذكر)، وإن كان منخفضًا جدًا يُطيل زمن الشحن دون فائدة في السعة. فيما يلي تيارات الإنهاء لدينا:
| رمز المنتج | السعة | تيار الإنهاء | معدل C للإنهاء |
|---|---|---|---|
| B1 | ٧٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٣٥ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| B2 | ٨٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٤٠ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| F8 | ٦٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٣٠ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| K7 | ٨٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٤٠ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| KF1 | ٨٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٤٠ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| L5 | ١٬٢٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٦٠ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| P2 | ٥٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٢٥ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| Q6 | ٩٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٤٥ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| Q8 | ١٬٠٠٠ مللي أمبير/ساعة | ٥٠ مللي أمبير | ٠٫٠٥ C |
| T2 | 2,500 مللي أمبير | 125 mA | 0.05 C |
| Y6 | 2,000 مللي أمبير | 100 mA | 0.05 C |
قاعدة إنهاء الشحن عند 0.05 C هي معيار صناعي محافظ يضمن وصول الخلية إلى 98% على الأقل من سعتها الفعلية عند نهاية الشحن. أما استخدام 0.10 C الأكثر صرامة فسيختصر من 6 إلى 9 دقائق، لكنه سيترك نسبة 1.5% إلى 2.0% من السعة غير مستخدمة، وهو ما يتراكم على مدار 500 دورة شحن ليؤدي إلى فقدان فعلي يتراوح بين 4% و6%.
3. حماية JEITA الحرارية والشحن في المناخات الحارة
تطبق دوائر الشحن المتكاملة في الطرازات Q6 وQ8 وL5 وT2 وY6 ملف حماية JEITA الحرارية. يقسم هذا الملف درجة حرارة الخلية إلى خمس مناطق:
- المنطقة 1 (T < 0 °C): يتم تعليق الشحن؛ إذ يستحيل عملية إدخال أيونات الليثيوم تحت درجة التجمد.
- المنطقة 2 (0 °C ≤ T < 10 °C): يُخفض التيار إلى 50% من القيمة المقدرة، ويُخفض الجهد إلى 4.05 فولت بدلًا من 4.2 فولت.
- المنطقة 3 (10 °C ≤ T < 45 °C): شحن طبيعي بالمعدل الكامل عند 4.2 فولت.
- المنطقة 4 (45 °C ≤ T < 60 °C): يُخفض الجهد إلى 4.05 فولت، ويُخفض التيار إلى 70%.
- المنطقة 5 (T ≥ 60 °C): يتم تعليق الشحن.
يستخدم التنفيذ مقاومًا حراريًا من النوع NTC بقيمة 10 kΩ مُركبًا على علبة الخلية أو سطح الكيس، حيث تقوم دائرة الشحن المتكاملة بقياس نسبة مقسم الجهد بتردد 5 هرتز. تبلغ تكلفة المقاوم الحراري 0.04 دولار أمريكي للوحدة ويضيف 1.4 ثانية إلى دورة التجميع. لقد قمنا بشحن منتجات مزودة بحماية JEITA في جميع الطرازات المميزة منذ عام 2023 وفي الطرازين Q6 وQ8 منذ عام 2024. أما الطرازات الاقتصادية B1 وB2 وF8 وP2 فلا تطبق حماية JEITA؛ بل تستخدم قطعًا تامًا عند 45 °C.
نصيحة للمشتري: إذا كان نطاق النشر يشمل مناطق ذات مناخ حار (متوسط الحرارة المحيطة > 35 °C)، يُرجى طلب خفض جهد المنطقة 4 من JEITA في دائرة الشحن المتكاملة. يطيل خفض الجهد من 4.2 فولت إلى 4.05 فولت عند درجات الحرارة المرتفعة عمر الدورة بنسبة 18% إلى 24%، ويُعدّ التحسين الأكثر فعالية من حيث التكلفة لتعزيز موثوقية برنامج أقلام القراءة في المناخات الحارة.
4. الشحن التمهيدي وتأهيل الخلايا منخفضة الجهد بشدة الشحن
عندما يظل قلم القراءة غير مُستخدم لمدة ثلاثة أشهر، قد ينخفض جهد الخلية إلى 2.4 فولت أو أقل. عند هذا الجهد تكون الخلية دون نطاق إدخال أيونات الليثيوم الآمن، وقد يؤدي تطبيق الشحن المباشر بالتيار-الجهد المستمر (CC-CV) إلى نمو الليثيوم التفضّصي. تتعامل دائرة الشحن المتكاملة مع هذه الحالة عبر مرحلة الشحن التمهيدي: عندما يكون جهد الخلية أقل من 3.0 فولت، تُوفّر الشاحن 10% من التيار المقدر حتى يرتفع الجهد إلى 3.0 فولت، ثم تنتقل إلى مرحلة التيار المستمر العادية.
فيما يلي تيارات الشحن التمهيدي لدينا:
| رمز المنتج | تيار الشحن التمهيدي | عتبة جهد الشحن التمهيدي |
|---|---|---|
| B1 | 35 mA | 3.0 V |
| B2 | 40 mA | 3.0 V |
| F8 | 30 mA | 3.0 V |
| K7 | 80 mA | 3.0 V |
| KF1 | 80 mA | 3.0 V |
| L5 | 120 mA | 3.0 V |
| P2 | 25 mA | 3.0 V |
| Q6 | 90 mA | 3.0 V |
| Q8 | 100 mA | 3.0 V |
| T2 | 250 mA | 3.0 V |
| Y6 | 200 mA | 3.0 V |
تُعتبر الخلية التي لا يصل جهدها إلى 3.0 فولت خلال 30 دقيقة من الشحن التمهيدي معيبة بواسطة دائرة الشحن المتكاملة، ويتم إنهاء العملية. يومض مؤشر LED باللون الأحمر ثلاث مرات ويرفض القلم مواصلة الشحن. تمنع ميزة السلامة هذه شحن أي خلية تالفة أو منخفضة الجهد بشدة. لقد قمنا بشحن منتجات مزودة بخاصية الكشف عن الخلايا المعيبة في جميع الطرازات منذ عام 2024، ولم نسجل أي حالة انفلات حراري خلال 30 شهرًا.
5. معايير أداء زمن الشحن عبر الكتالوج
[الإصلاح: عدد_الروابط] يعتمد زمن الشحن على تيار الشحن، وتيار الانتهاء، وسعة البطارية. تستند الأرقام المرجعية إلى مصدر USB-C بقدرة 5 فولت/1.5 أمبير لأكواد SKU المزودة بـ USB-C، وإلى مصدر micro-B المرفق بقدرة 5 فولت/0.5 أمبير لأكواد SKU المزودة بـ micro-B.
| الطراز | المصدر | الوقت من 0 إلى 80% | الوقت من 0 إلى 100% | الطاقة حتى 100% |
|---|---|---|---|---|
| B1 | 5 فولت \/ 0.5 أمبير | 110 دقيقة | 152 دقيقة | 3.10 واط ساعة |
| B2 | 5 فولت \/ 0.5 أمبير | 96 دقيقة | 132 دقيقة | 3.50 واط ساعة |
| F8 | 5 فولت \/ 1.5 أمبير | 92 دقيقة | 128 دقيقة | 2.70 واط ساعة |
| K7 | 5 فولت \/ 1.5 أمبير | 38 دقيقة | 52 دقيقة | 3.50 واط ساعة |
| KF1 | 5 فولت \/ 1.5 أمبير | 38 دقيقة | 52 دقيقة | 3.50 واط ساعة |
| L5 | 9 فولت \/ 2 أمبير | 32 دقيقة | 46 دقيقة | 5.20 واط ساعة |
| P2 | 5 فولت \/ 0.5 أمبير | 90 دقيقة | 124 دقيقة | 2.20 واط ساعة |
| Q6 | 12 فولت \/ 1.5 أمبير | 30 دقيقة | 42 دقيقة | 4.00 واط ساعة |
| Q8 | 12 فولت \/ 1.5 أمبير | 32 دقيقة | 44 دقيقة | 4.40 واط ساعة |
| T2 | 9 فولت \/ 2 أمبير | 42 دقيقة | 68 دقيقة | 10.80 واط ساعة |
| Y6 | 9 فولت \/ 2 أمبير | 38 دقيقة | 62 دقيقة | 8.80 واط ساعة |
وحدات SKU من نوع micro-B تكون أبطأ بشكل ملحوظ لأن الشاحن المرفق بتيار 0.5 أمبير فقط. يمكن للمشتري الذي يقوم بالترقية إلى شاحن micro-B من طرف ثالث بتيار 1 أمبير تقليل مدة شحن B1 وB2 وP2 بمقدار 18 إلى 24 دقيقة دون الحاجة إلى تغيير البرنامج الثابت. نحن نوثّق ذلك في دليل المستخدم.
6. السلوك الحراري أثناء الشحن السريع
يولّد الشحن السريع بمعدل 1 C أو أعلى حرارة يجب تبديدها عبر الهيكل. قسنا درجة حرارة سطح الهيكل عند موقع الخلية أثناء الشحن بمعدل 1 C على الموديلات K7 وKF1 وL5 وQ6 وQ8 وT2 وY6. درجات الحرارة القصوى عند درجة حرارة محيطة 25 °C:
| وحدة SKU | درجة حرارة الهيكل القصوى (1 C، 25 °C) | درجة حرارة الهيكل القصوى (1 C، 35 °C) | الحد الحراري |
|---|---|---|---|
| K7 | 36.4 °C | 45.2 °C | 50 °C |
| KF1 | 36.4 °C | 45.2 °C | 50 °C |
| L5 | 38.6 °C | 47.6 °C | 50 °C |
| Q6 | 37.8 °C | 46.8 °C | 50 °C |
| Q8 | 38.2 °C | 47.2 °C | 50 °C |
| T2 | 41.4 °C | 50.4 °C (يتم خفض المعدل) | 50 °C |
| Y6 | 40.6 °C | 49.6 °C (يتم خفض المعدل) | 50 °C |
يمثل حد 50 °C حدود منطقة JEITA 4. عند درجة حرارة محيطة 25 °C، لا تصل أي وحدة SKU إلى هذا الحد. عند 35 °C، تصل T2 وY6 إلى الحد ويقوم البرنامج الثابت بخفض معدل الشحن بنسبة 30% للحفاظ على درجة حرارة الهيكل أقل من 50 °C. يمدد هذا الخفض مدة شحن T2 من 42 إلى 56 دقيقة عند 35 °C، وY6 من 38 إلى 52 دقيقة. يتم توثيق ذلك في دليل المستخدم ويُعد متوقعًا ضمن منطقة JEITA 4.
7. حدود الأمان والحمايات المتكررة
تُنفّذ كل دائرة متكاملة للشحن أربع طبقات من حماية الأمان:
- حماية من الجهد الزائد عند الإدخال عند 6.5 فولت على VBUS: يتم إيقاف التشغيل إذا تجاوز الإدخال 6.5 فولت.
- حماية من الجهد الزائد للخلية عند 4.30 فولت: ينتهي الشحن ويُغلق بشكل دائم. تتطلب إعادة الضبط فصل وإعادة توصيل الطاقة.
- مهلة الشحن عند 8 ساعات: إذا لم ينتهِ الشحن خلال 8 ساعات، تنتهي مهلة الشاحن ويُغلق بشكل دائم. تحمي من فشل الثرمستور أو تعليق الدائرة المتكاملة.
- الإغلاق الحراري عند حرارة وصلة 145 °C: حماية أخيرة على مستوى السيليكون.
يتم اختبار طبقات الحماية الأربع على كل دفعة إنتاج. لم نواجه أي حدث أمان ميداني واحدًا من بين أكثر من 47,000 وحدة تم شحنها منذ عام 2023. يبلغ معدل أحداث الأمان في الصناعة (وفقًا لمسح UL لعام 2024) واحدًا لكل 4.2 مليون خلية؛ وبحجم إنتاجنا، نتوقع إحصائيًا حدوث حدث أمان واحد كل 89 عامًا.
8. اختيار موردي دوائر الشحن المتكاملة والتوريد البديل
نستخدم ثلاثة موردين لدوائر الشحن المتكاملة. تستخدم الفئة الاقتصادية (B1 وB2 وF8 وP2) مورّدًا صينيًا نتعامل معه منذ عام 2019. تستخدم الفئة المتوسطة (K7 وKF1 وQ6 وQ8) مورّدًا تايوانيًا من الفئة الأولى تم تأهيله في عام 2022. تستخدم الفئة المميزة (L5 وT2 وY6) مورّدًا أمريكيًا من الفئة الأولى تم تأهيله في عام 2021. لدى جميع الموردين الثلاثة اتفاقيات توريد بديل، يتم تدقيقها سنويًا على دورة 12 شهرًا.
يستغرق تأهيل المورّد البديل 16 أسبوعًا: 4 أسابيع لمراجعة صحيفة البيانات، و4 أسابيع للتحقق المكتبي، و4 أسابيع لاختبار العمر المتسارع، و4 أسابيع للتحقق من التوافق المباشر على دفعة تجريبية. أكملنا تأهيل المورّد البديل للدائرة المتكاملة التايوانية، ونحن في الأسبوع الثامن من تأهيل المورّد الأمريكي.
9. توافق دوائر الشحن المتكاملة مع المصادر الشمسية ومصادر التيار المستمر
يتزايد عدد البرامج المدرسية في أفريقيا جنوب الصحراء وريف الهند التي تستخدم عربات شحن تعمل بالطاقة الشمسية. تقدم هذه العربات عادةً تيارًا مستمرًا بجهد 12 فولت أو 24 فولت عبر محول رافض للجهد إلى 5 فولت USB. تتوافق دوائر الشحن المتكاملة لدينا مع أي مصدر تيار مستمر بجهد 4.5 إلى 5.5 فولت يستوفي معيار USB BC1.2. لقد تحققنا من توافق العربات الشمسية على الموديلات L5 وQ6 وQ8 وT2 وY6 مع ثلاثة موردين للعربات الشمسية.
بالنسبة لمصادر التيار المستمر التي تتجاوز 5.5 فولت (مثل الطاقة الشمسية بجهد 12 فولت)، يتفاوض عقد USB-C PD في الموديلات L5 وT2 وY6 للحصول على جهد 9 فولت أو 12 فولت من المصدر، ويقبل شاحن الرافض للجهد الأعلى مباشرة. أما الموديلات K7 وKF1 وQ6 وQ8 فهي بجهد 5 فولت فقط وتتطلب أن يقدم محول الرافض في العربة الشمسية جهدًا منظمًا قدره 5 فولت. نحافظ على قائمة بموردي العربات الشمسية الموصى بهم في توثيق قناة أقلام القراءة بالجملةوثائق القناة.
10. خارطة الطريق لمدة 12 شهرًا لتقنية دوائر الشحن المتكاملة
نتابع أربعة تحسينات على دوائر الشحن المتكاملة ستصل إلى الكتالوج بحلول الربع الرابع من عام 2026. أولًا، شاحن تبديل يعتمد على GaN في وحدة SKU مميزة مستقبلية بكفاءة 96% عند الحمل الكامل وبتشتيت حراري أقل بنسبة 35%. ثانيًا، شحن ثنائي الاتجاه يتيح للقلم العمل كمصدر طاقة بجهد 5 فولت/تيار 0.5 أمبير لشحن الهاتف في حالات الطوارئ. ثالثًا، خوارزمية ملف شحن تكيّفية تتعلم نمط التفريغ اليومي للمستخدم وتضبط تيار الشحن لتقليل إجهاد الدورات. رابعًا، الشحن اللاسلكي في وحدة SKU مميزة مستقبلية باستخدام مواصفات Qi 1.3، مما يضيف 2.40 دولارًا إلى BOM ويقلل كفاءة الشحن بنسبة 28%.
سننشر تقريرًا متابعة بعد شحن شاحن GaN في التجارب الميدانية. في هذه الأثناء، فإن بنية دوائر الشحن المتكاملة عبر كتالوجنا ناضجة ومُختبرة جيدًا ومدعومة جيدًا، وندعو أي مشتر OEM لديه متطلب ملف شحن مخصص إلى التواصل من خلال أقلام القراءة ODM فريقنا لإجراء مراجعة للجدوى.
ردّ خلال 14 يومًا بكلمة الشاحن وسنرسل لك 6 دوائر متكاملة للشحن (واحدة لكل فئة طوبولوجيا) مع ورقة البيانات والتخطيط المرجعي للتحقق من ملف الشحن على مستوى المختبر داخل مختبركم قبل التوقيع على التصميم.
قراءات ذات صلة
- إدارة الطاقة وتحسين وقت التشغيل في قلم القراءة
- شرح شحن Type-C PD QC BC1.2 في قلم القراءة
- دورة حياة البطارية وتآكل السعة في قلم القراءة
- دارة متكاملة لإدارة الطاقة PMIC في قلم القراءة
- دورات إدخال موصل Type-C في قلم القراءة
- سلامة بطارية ليثيوم بوليمر في قلم القراءة
- معايير Energy Star ووضع الاستعداد منخفض الطاقة في قلم القراءة
- تصميم لوحة الدوائر المطبوعة وتوافق EMC في قلم القراءة