Standardy szybkiego ładowania urządzeń mobilnych

Wprowadzenie

Urządzenia mobilne coraz częściej goszczą w naszych domach. Smartfony czy też laptopy zastępują nam narzędzia pracy, aby zapewnić optymalne czasy pracy urządzenia te muszą być wyposażone w duże baterie (o dużej pojemności). Duże baterie wymagają długich czasów ładowania, a nie zawsze możemy pozwolić sobie na czekanie parę godzin aż nasze urządzenie mobilne się naładuje.

Smartfony na początku swojego istnienia najczęściej ładowały się z mocą 5W (5V/1A). Małe baterie jak i dość słabe podzespoły pozwalały na korzystanie ze smartfona przez cały dzień. Wraz z rozwojem technologii, urządzenia mobilne stały się coraz wydajniejsze, co za tym idzie zwiększył się ich pobór mocy. Producenci w celu zapewnienia porównywalnego czasu pracy na jednym ładowaniu zostali zmuszeni do zamontowania w urządzeniach większych baterii, co wydłużyło czas ich ładowania. Zapotrzebowanie rynku na wydajne urządzenia spowodowało konieczność wprowadzenia standardów, które pozwolą nam na szybkie i bezpieczne ładowanie naszych urządzeń.

Na przeciw naszym oczekiwaniom wyszła firma Qualcomm oraz organizacja non-profit USB Implementers Forum (USB Promoters Group). Zapoczątkowały one wprowadzanie w ładowarkach standardów pozwalających na zasilanie urządzeń dużo większą mocą (do 240W) niż standardowe 5W w pierwszych ładowarkach.

Standardy

Power Delivery

Fot. 1 - Power Delivery 3.0.

Power Delivery 1.0 - wprowadzony w lipcu 2012 przez USB Promoters Group, oferuje zmienne wartości napięcia od 5V do 20V już w przewodzie micro USB. Minusem jest to, że urządzenie ładowane nie posiada dedykowanego układu sterującego ładowaniem przez co ładowarka sama dobiera parametry ładowania.

Power Delivery 2.0 - ulepszona wersja standardu, dzięki wprowadzeniu komunikacji z urządzeniem ładującym pozwala na precyzyjne dostosowanie napięcia, prądu oraz kierunku ładowania. Wykorzystać to można na przykład do podłączenia jednym przewodem USB-C laptopa do monitora. Przewód podłączony do monitora pozwoli nam na transfer obrazu, dźwięku oraz jeżeli monitor jest wyposażony w hub rozszerzymy komputer o dodatkowe porty USB, natomiast monitor będzie ładował nasze urządzenie.

Power Delivery 3.0 - trzecia wersja standardu Power Delivery działa już tylko i wyłącznie z przewodem USB-C, pozwoliło to na wykorzystanie pinu konfiguracyjnego CC do komunikacji z ładowarką, dodając do tego funkcję PPS (Programmable Power Supply) - programowalny zasilacz. Zastosowanie PPS pozwala na utrzymywanie stałej mocy ładowania przy zmiennych wartościach prądu, tak aby nie doprowadzić do uszkodzenia ładowanego ogniwa spowodowanego przegrzaniem poprzez ładowanie zbyt dużym prądem.

Power Delivery 3.1 - aktualizacja standardu Power Delivery 3.0 wprowadzająca rozszerzony zakres napięć aż do 48V i mocy do 240W, zapewniając kompatybilność wsteczną z wszystkimi poprzednimi standardami. Do skorzystania z tak szybkiego ładowania potrzeba specjalnych certyfikowanych ładowarek jak i przewodów, ale pozwala nam to na zasilanie praktycznie wszystkiego począwszy od słuchawek Bluetooth aż po duże laptopy i stacje robocze.

Quick Charge

Fot. 2 - Quick Charge 3.0.

Quick Charge 1.0 - powstał w 2013 roku, jest najstarszym standardem szybkiego ładowania, pozwala na ładowanie urządzenia mobilnego z mocą 10W (5V/2A). Jest to zatem dwukrotnie więcej niż standardowy port USB (5V/1A).

Quick Charge 2.0 - standard pozwalający dostarczyć do urządzenia do 18W (5V/2A), (9V/2A), (12V/1.5A) mocy. W celu zmniejszenia nagrzewania się urządzenia ładowanego jak i ładowarki zaczęto korzystać z możliwości fizycznego podnoszenia napięcia, co skutkuje mniejszymi temperaturami spowodowanymi przepływem dużego prądu. Quick Charge 2.0 pozwala nie tylko ładować urządzenia mobilne ale też zasilać urządzenia stacjonarne. Możliwość tą wykorzystuje na przykład firma Ubiquiti (CloudKey+). Standard Quick Charge 2.0 wprowadza też innowacyjną technologię jaką jest Dual Charge. Dual Charge jest to technologia pozwalająca na rozdzielenie ścieżek ładowania na płycie głównej poprzez zastosowanie dwóch układów zarządzania energią, w połączeniu z technologią inteligentnego balansowania termicznego (ITB - Inteligent Thermal Balancing) umożliwia obciążenie chłodniejszej ścieżki na płycie głównej.

Quick Charge 3.0 - standard pozwalający na dokładne sterowanie napięciem ładowania od 3.6V aż do 20V w krokach co 0.2V. Pozwala to nam ładować wydajniej baterię do 50% pojemności. Stosowanie w początkowej fazie ładowania dużych napięć zmniejsza wymagany prąd, a co za tym idzie zmniejsza temperaturę samego ogniwa, co następnie skutkuje wydłużeniem jego życia. Po przekroczeniu progu 50% urządzenie mobilne wysyła poprzez przewód USB sygnał do urządzenia ładującego, aby urządzenie zaczęło zmniejszać napięcie, pozwala to na zmniejszenie mocy ładowania baterii, aż do uzyskania pełnej pojemności. Ulepszona wersja tego standardu (Quick Charge 3+) pozwala sterować napięciem co 20 mV, co pozwala jeszcze dokładniej przeprowadzać proces ładowania.

Quick Charge 4.0 - jest to unowocześnienie standardu Quick Charge 3.0. Standard w wersji 4 pozwala ładować kompatybilne urządzenia z mocą do 100W (20V/5A). Największą nowością jest jednak dodanie wsparcia standardu Power Delivery który pozwala na ładowanie z mocą 27W (9V/3A), dzięki temu możemy podłączyć do tej samej ładowarki większą gamę urządzeń.

Quick Charge 5.0 - jest kolejnym ulepszeniem standardu szybkiego ładowania. W porównaniu do poprzedniego rozszerza obsługę Power Delivery do 100W.

Autorskie technologie ładowania producentów urządzeń

Przykładem własnych technologii producentów smartfonów są:

Adaptive Fast Charging - technologia firmy Samsung oparta na Quick Charge 2.0 firmy Qualcomm. Ładowarka podłączona do smartfona sama dostosowuje napięcie ładowania (5V/2A lub 9V/1.67A), a gdy bateria osiągnie 80% zmniejsza moc aby nie uszkodzić ogniwa.

Super Fast Charging - kolejna technologia opracowana przez firmę Samsung, oparta jest na standardzie Power Delivery 3.0, dzięki czemu jest kompatybilna z większą liczbą urządzeń niż tylko telefony. Wykorzystuje ona przewód USB-C, a maksymalną moc jaką możemy uzyskać to 25W, a w wersji 2.0 to 45W.

Mi HyperCharge - autorska technologia ładowania stworzona przez firmę Xiaomi. Przystosowana jest do ładowania mocą do 120W i wspiera smartfony z podwójną baterią.

Ultra Charge - jest to technologia opracowana przez firmę Greencell, stosowana w ładowarkach tego producenta. Jest kompatybilna z szeroką gamą standardów takich jak: Quick Charge 3.0, Samsung Adaptive Fast Charging czy Huawei FCP. Porty wspierające tą technologię oznaczone są zielonym kolorem.

Fot. 3 - Ultra Charge.