نحوه عملکرد فناوری شارژ سریع و مروری بر استانداردهای آن

شارژ سریع یکی از ویژگی های ضروری در گوشی های امروزی است. باتری‌های ما را در طول یک روز پرمشغله شارژ نگه می‌دارد و ما را در عرض چند دقیقه به کار بازمی‌گرداند. با این حال، استانداردهای مختلفی از شرکت های مختلف وجود دارد و سرعت شارژ ، اغلب به کابل ها و شارژرها بستگی دارد. استانداردهای شارژ سریع زیادی در بازار وجود دارد، اما همه آنها یک فناوری اصلی مشترک دارند. 

خروجی شارژ با آمپر و ولتاژ اندازه گیری می شود. آمپر (یا جریان) مقدار برقی است که از باتری به دستگاه متصل می شود، در حالی که ولتاژ قدرت جریان الکتریکی است. ضرب ولت در آمپر ، وات است( توان کل).

برای اینکه یک دستگاه سریعتر شارژ شود، اکثر سازندگان یا آمپراژ را افزایش می دهند یا ولتاژ را تغییر می دهند تا مقدار انرژی بالقوه را افزایش دهند.اکثر استانداردهای شارژ سریع معمولاً به جای افزایش آمپر، ولتاژ را تغییر می دهند.

تلفن های هوشمند شارژ سریع امروزی بین 18 وات تا 65 وات قدرت دارند و زمان شارژ آن از 30 دقیقه تا کمی بیش از یک ساعت متغیر است. حتی تلفن های با شارژ فوق سریع 120 واتی در بازار وجود دارد  این روزها شارژ سریع فقط به شارژ سیمی اختصاص ندارد. شارژ بی سیم نیز وارد شده است.

چگونه می توان باتری را سریع شارژ کرد؟

قبل از پرداختن به استانداردهای شارژ سریع، بیایید به برخی از اصول اولیه شارژ باتری ها بپردازیم. مانند همه دستگاه های الکترونیکی، باتری ها با ولتاژ خاصی کار می کنند. ولتاژ و جریان بالا به معنای قدرت بیشتر و در نتیجه شارژ سریعتر است. با این حال، باتری ها دارای محدودیت های عملیاتی بسیار سختگیرانه ای هستند، به ویژه در مورد ولتاژ، که برای شارژ ایمن آنها باید رعایت شود.

شارژ سریع باتری فقط به معنای پرتاب حداکثر ولتاژ و جریان  به باتری نیست. شارژ باتری به دو فاز مجزا تقسیم می شود، جریان ثابت و ولتاژ ثابت. نمودار زیر نشان می دهد که چگونه ولتاژ در طول شارژ تغییر می کند و چگونه بر مقدار جریانی که می تواند به باتری منتقل شود تأثیر می گذارد.

فن‌آوری‌های شارژ سریع از فاز جریان ثابت با پمپاژ هرچه بیشتر جریان به باتری قبل از رسیدن به حداکثر ولتاژ خود استفاده می‌کنند.بنابراین، فناوری‌های شارژ سریع زمانی مؤثر هستند که باتری شما کمتر از 50 درصد پر باشد، اما پس از عبور باتری از 80 درصد، تأثیر کاهشی بر زمان شارژ دارد.

تعدادی از تکنیک ها وجود دارد که سازندگان می توانند از آنها برای کاهش زمان شارژ استفاده کنند.برای مثال، باتری‌های گران‌تر ممکن است باضریب تخیله بالاتر و مواد جدید برای مقاومت در برابر جریان‌ها و دمای بالاتر عرضه شوند. باتری های دارای زبانه های مولتی آند و کاتد می توانند مقاومت داخلی باتری را کاهش داده و جریان آن را افزایش دهند. باتری‌های دو سلولی جریان را به دو باتری به صورت موازی تقسیم می‌کنند.بهینه‌سازی زمان شارژ باتری شامل نظارت بر ولتاژ و جریان و بهینه‌سازی الگوریتم‌ها نیز می‌شود. 

مروری بر استانداردهای شارژ سریع

USB Power Delivery

استاندارد USB Power Deliveryتوسط USB-IF ¹ در سال 2012 منتشر شد. از سال 2020، USB PD به رایج ترین استاندارد شارژ پشتیبانی شده در صنعت گوشی های هوشمند تبدیل شده است.اگرچه تعداد زیادی از تلفن‌ها هنوز استانداردهای اختصاصی سریع‌تری دارند، اکثر تلفن‌های امروزی از USB PD روی درگاه USB-C خود پشتیبانی می‌کنند.

مانند تمام استانداردهای شارژ سریع، USB PD یک پروتکل داده را برای برقراری ارتباط بین شارژر و تلفن پیاده سازی می کند.به این ترتیب حداکثر توان قابل تحمل هم برای شارژر و هم برای گوشی ارائه می شود. USB PD قدرت را از 0.5 وات تا 100 وات کاهش می دهد.

تلفن های هوشمند معمولاً از حدود 18 تا 25 وات برق برای شارژ با USB PD استفاده می کنند. این استاندارد همچنین از برق دو جهته پشتیبانی می کند و گوشی شما را قادر می سازد تا سایر لوازم جانبی را شارژ کند. گوشی‌های هوشمندی که از USB PD استفاده می‌کنند عبارتند از Apple iPhone 12 و Google Pixel 5.

آخرین استاندارد USB PD همچنین شامل نسخه اختیاری منبع تغذیه قابل برنامه ریزی (USB PD PPS) است و کنترل ولتاژ انعطاف پذیرتر را در مراحل 20 میلی ولت معرفی می کند و آن را برای شارژ سریع بهینه بسیار مفیدتر می کند. سری گلکسی اس 21 سامسونگ نمونه ای از تلفن های شارژ سریع با استفاده از USB PD PPS است.

شارژ سریع کوالکام (Qualcomm Quick Charge)

شارژ سریع کوالکام به دلیل رشد استانداردهای اختصاصی و USB PD ممکن است به اندازه چند سال پیش در فضای شارژ گوشی هوشمند برجسته نباشد. اما اکنون در نسل پنجم خود قرار دارد و همچنان با پشتیبانی منظم در طیف وسیعی از تلفن های هوشمند شروع به کار می کند.

آخرین Quick Charge 5 با تمام نسخه های قبلی Quick Charge و USB PD سازگار است.همچنین با مشخصات USB PD سازگار است و می‌تواند تا 100 وات برق را برای گجت‌های سخت‌تر فراهم کند.این قدرت بسیار بیشتر از نسخه‌های قبلی است که معمولاً 18 و 27 وات برق را به گجت‌های سازگار ارائه می‌کردند.

شارژ سریع 5 با ولتاژهای عملیاتی افزایشی تا 20 ولت، 3 آمپر تا 5 آمپر جریان، بسیار شبیه قابلیت های شارژ سریع USB PD PPS است.کوالکام استاندارد خود را با قابلیت‌های شناسایی شارژر، همراه با پروتکل‌های حفاظت از ولتاژ، جریان و حرارت افزایش می‌دهد.به گونه ای طراحی شده است که حتی از استاندارد USB PD ایمن تر باشد.

سایر استانداردهای اختصاصی رایج

در طول سال ها، بسیاری از شرکت های دیگر استانداردهای شارژ سریع خود را توسعه داده اند. بسیاری از اینها زمانی ایجاد شدند که پورت های USB-A محبوب بودند.اگرچه برخی با انتقال به USB-C و گسترش USB PD کم و بیش منسوخ شده اند.با این حال، برخی از آنها به دلیل پشتیبانی گسترده توسط دستگاه‌های قدیمی یا به این دلیل که سریع‌تر از آنچه که با استانداردهای جهانی‌تر ارائه می‌شود، ادامه می‌دهند.

به عنوان مثال، پروتکل Apple 2.4A به جای قابلیت های اولیه 0.5A، ​​پورت های USB-A استاندارد را با جریان 2.4 آمپر افزایش می دهد. آیفون‌های قدیمی‌تر و مجموعه‌ای از گجت‌های قدیمی‌تر، از این قابلیت‌ها برای شارژ کردن از درگاه‌های قدیمی‌تر استفاده می‌کنند.شارژ سریع تطبیقی ​​سامسونگ یک استاندارد قدیمی مشابه است که برای گوشی های هوشمند قدیمی سامسونگ گلکسی طراحی شده است و در مدل های نسل جدیدتر نیز پشتیبانی می شود و حداکثر توان 15 وات را فراهم می کند که به طور قابل توجهی کندتر از فناوری مدرن شارژ سریع است.

استانداردهای دیگر که قدیمی‌تر هستند ،مانند Motorola Turbo Charge و MediaTek's Pump Express، مستهلک شده‌اند.

استانداردهای شارژ اختصاصی بسیار سریع هنوز در صنعت گوشی های هوشمند، به ویژه از سوی سازندگان چینی وجود دارد. به عنوان مثال می توان به Warp Charge OnePlus، Huawei SuperCharge، SuperVooc Oppo و فناوری شارژ 120W شیائومی اشاره کرد.این فناوری‌ها از 40 وات تا 120 وات متغیر هستند.

 شارژرهای اختصاصی مانند OnePlus و Xiaomi به طور فزاینده ای از USB PD علاوه بر پروتکل های خود پشتیبانی می کنند.این کار به این شارژرها امکان می‌دهد تا گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و موارد دیگر را سریع شارژ کنند، در حالی که نیاز به آداپتورهای متعدد را کاهش می‌دهند.

شارژ سریع بی سیم 

شارژ بی سیم اصول و موانعی مشابه شارژ سریع سیمی دارد. دستگاه ها همچنان به یک باتری قابل شارژ سریع و روشی برای انتقال اطلاعات از گجت به شارژر نیاز دارند.علاوه بر این عارضه دیگری وجود دارد که انتقال مقدار زیادی نیرو از طریق هوا است.

Qi (تلفظ chee) رایج ترین استاندارد در فضای شارژ بی سیم موبایل است. درست مانند USB PD، این استاندارد دستخوش بازنگری های متعددی شده است و قابلیت های برق استاندارد را بهبود می بخشد. Qi همچنین شارژ بی‌سیم معکوس را پیاده‌سازی می‌کند و به تلفن‌ها اجازه می‌دهد تا دیگر گجت‌های بی‌سیم را آهسته شارژ کنند.

نسخه 1.0 Qi که در سال 2010 منتشر شد، تنها 5 وات برق را ارائه می کرد. در طول سال ها، این توان به 10 وات، 15 وات، 30 وات و حتی 65 وات برای دستگاه های بزرگتر افزایش یافته است. با این حال، در فضای گوشی‌های هوشمند، 15 وات بالاترین حد است، بسیاری از دستگاه‌ها پیکربندی‌های کندتر 10 وات و 7.5 وات را انتخاب می‌کنند. بنابراین، Qi همچنان کندتر از شارژ سیمی است.

اپل همچنین فناوری شارژ بی‌سیم اختصاصی خود را با MagSafe در سال 2020 معرفی کرد. MagSafe همچنین با 15 وات شارژ می‌شود، که سرعت آن را نسبت به توان سیمی 20 واتی آیفون 12 ارائه شده توسط USB Power Delivery کندتر می‌کند.

با این حال، بازار رو به رشدی برای استانداردهای شارژ بی‌سیم اختصاصی بسیار سریع‌تر، به‌ویژه در بین برندهای چینی وجود دارد. Oppo دارای SuperVooc بی‌سیم 65 واتی است، وان‌پلاس از Warp Charge 50 واتی بهره می‌برد و هوآوی از فناوری 40 واتی بهره می‌برد. شارژ بی سیم 100 وات و فراتر از آن نیز تبلیغ می شود، اما هنوز شاهد ظهور این فناوری در محصولات تجاری نیستیم.

تنها راه  شارژ بی سیم سریعتر این است که از سیم پیچ های بیشتری برای انتقال جریان از طریق هوا استفاده شود که نیازمند  هزینه بیشتر برای اجرا، اشغال فضای بیشتر و افزایش دمای شارژ است. در حالی که شارژ بی سیم سریع به وضوح امکان پذیر است، اما کارآمدترین راه برای شارژ سریع گوشی های هوشمند و سایر ابزارها نیست.

وضعیت شارژ سریع در سال 2021

در مقایسه با همین چند سال پیش، بازار گوشی‌های هوشمند در سال 2021 از مجموعه‌ای کوچک از استانداردها برای شارژ سریع سیمی و بی‌سیم بهره برد. در فضای سیمی، USB PD تبدیل به استاندارد واقعی برای شارژ گوشی های هوشمند در هر دو اکوسیستم اندروید و iOS شده است.USB PD نیز در بازارهای لپ‌تاپ محبوبیت پیدا کرده است. 

1.یک سازمان غیرانتفاعی است برای ترویج و پشتیبانی از USB