شارژ سریع چیست و چگونه کار می کند؟

در سال های اخیر ظرفیت باتری گوشی ها افزایش قابل توجهی پیدا کرده. با وجود اینکه مصرف انرژی چیپست ها و سایر قطعات گوشی های هوشمند همزمان با پیشرفت فناوری بهینه تر شده، ولی از آن سو اپلیکیشن ها و بازی ها نیز پیشرفته تر شده اند و نیاز به قدرت پردازشی افزون تری دارند. به همین دلیل شارژرهای سریع اهمیتی دو چندان پیدا کرده اند. اما تکنولوژی شارژ سریع چگونه کار می کند؟

کمپانی های مختلف از استانداردهای متفاوتی برای شارژ سریع دستگاه های خود بهره می برند. حتی برخی از این تکنولوژی ها به گونه ای توسعه یافته اند که تنها با کابل ها و شارژرهای خاصی کار می کنند و یا با سایر استانداردها سازگار نیستند. علاوه بر این بسیاری از استانداردها ولتاژهای متفاوتی نسبت به 5 ولت معمول دارند.

شارژ سریع چیست؟

به طور خلاصه باید گفت شارژهای سریع شدت جریان الکتریکی ارسال شده به باتری را افزایش می دهند تا شارژ در زمان کمتری انجام شود. در خصوصیات اولیه درگاه های USB میزان جریان انتقال داده شده 0.5 آمپر و ولتاژ (یا به عبارتی اختلاف پتانسیل) 5 ولت تعریف شده است. به این ترتیب می توان گفت توان انتقالی استاندارد در USB پایه، 2.5 وات است (به طور ساده حاصل ضرب ولتاژ در شدت جریان یا آمپراژ).

شارژ سریع این میزان را افزایش می دهد. به عنوان مثال می توان به فناوری شارژ سریع هواوی با ولتاژ 5 ولت و شدت جریان 5 آمپر اشاره کرد که حداکثر توان 25 وات را حاصل می کند. سامسونگ هم از شارژرهای 9 ولت و 1.7 آمپر (و البته مدل های پیشرفته تر) بهره می برد که توانی 15 واتی دارند.

به عبارت دیگر می توان گفت شارژرهای سریع توان بیشتری را فراهم می کنند. البته این موضوع که اساساً باتری های چطور شارژ می شوند بسیار پیچیده تر است و در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

استانداردهای شارژ سریع

در ادامه به استانداردهای شارژ سریع و بررسی جزئیات آنها می پردازیم.

استاندارد USB Power Delivery

این استاندارد که USB-PD هم نامیده می شود روش شارژ رسمی ارائه شده توسط انجمن پیاده سازی USB یا USB-IF است و در سال 2012 ارائه شده. این استاندارد می تواند توسط هر دستگاه مجهز به درگاه USB استفاده شود؛ البته در صورتی که سازنده دستگاه ها از مدارها و نرم افزارهای ویژه بهره ببرند.مشابه با تمامی استانداردهای شارژ سریع، USB-PD هم وابسته به پروتکل های ویژه برای ارتباط بین شارژر و گوشی است. بر این اساس حداکثر قدرت قابل تحمل برای دستگاه و نیز شارژر بین این دو مورد بررسی قرار می گیرد.

USB-PD امکان شارژ با قدرت بیش از 100 وات را فراهم می کند. در این استاندارد البته میزان ولتاژها متغیر است. توان های 7.5 و 15 وات به بالا برای گوشی ها بهترین است، در حالی که توان های 27 وات یا بیشتر می توانند در دستگاه های با مصرف بالاتر یا لپتاپ ها به کار رود. قابلیت دیگر USB-PD امکان انتقال دو سویه است. به عبارتی گوشی های سازگار با آن می توانند انرژی خود را برای شارژ به دستگاه های دیگر منتقل کنند.

گوشی های سری پیکسل گوگل با خصوصیات رسمی این استاندارد تطابق دارند. اپل نیز در آیفون 8، آیفون 10 و مک بوک های خود آن را پیاده سازی کرده است.

شارژ سریع کوالکام

فناوری شارژ سریع اختصاصی کوالکام از آنجایی به عنوان یک استاندارد پیش فرض مطرح شد که پیش از USB-PD به محبوبیت رسید. آخرین استاندارد کوالکام که +4.0 Quick Charge نام گرفته البته با استاندارد USB-PD هم سازگار است و شارژ سریع تر در کنار پشتیبانی از دستگاه های بیشتری را ارائه می دهد.

Quick Charge قابلیت شارژ سریع کوالکام است که به طور اختیاری روی چیپست های سری اسنپدراگون ارائه می شود. به این ترتیب صرف اینکه گوشی شما از چیپستی از این سری بهره می برد به این معنی نیست که از فناوری شارژ سریع کوالکام نیز پشتیبانی می کند و در واقع ممکن است سازنده از مجهز کردن گوشی به کوئیک شارژ امتناع کرده باشد. گوشی هایی از جمله ال جی G7، گلکسی نوت 8 سامسونگ (نسخه مجهز به چیپست اسنپدراگون)، اچ تی سی U12 پلاس و بسیاری دیگر از این فناوری پشتیبانی می کنند.

باید اشاره کرد که با توجه به محبوبیت این فناوری، بسیاری از شارژرهای دیواری یا خودرو، پاوربانک ها و بسیاری تجهیزات دیگر که حتی توسط شرکت های دیگر ساخته می شوند، با کوئیک شارژ کوالکام سازگار هستند.

استانداردهای دیگر

در دنیای گوشی های هوشمند بسیاری از شرکت ها به جای استانداردهای مرسومِ اشاره شده از نمونه های ویژه خود بهره می برند اما تنها برخی از آنها استانداردهای واقعاً اختصاصی خود را دارند.

بسیاری از این استانداردها همان فناوری های USB-PD یا کوئیک شارژ هستند که تنها تحت نام متفاوتی عرضه می شوند یا فناوری یا ترفندهای خاصی را به کار گرفته اند. از این نمونه ها می توان به تکنولوژی های Adaptive Charging سامسونگ و Turbo Charging موتورولا اشاره کرد.

اما برخی دیگر از جمله تکنولوژی VOOC شرکت اوپو یا SuperCharge هواوی کاملاً به طور متفاوتی عمل می کنند. بیشتر این نمونه ها از افزایش شدت جریان به جای افزایش ولتاژ بهره می برند.

در بین این شرکت ها ممکن است برخی به دلیل گسترش میزان سازگاری تا حدودی یا به طور کامل از استانداردهای دیگری نیز پشتیبانی کنند. البته متأسفانه معمولاً در صورت استفاده از شارژر یا کابل دیگر نمی توان پیش بینی کرد که شارژ با چه سرعتی انجام خواهد شد. در این شرایط برای دستیابی به بیشترین سرعت پیشنهاد می شود از شارژر و کابل ارائه شده در جعبه گوشی خود بهره ببرید.

فناوری شارژ سریع چگونه باتری های لیتیوم-یون را شارژ می کند

امروزه باتری های لیتیوم-یون در گوشی های هوشمند و بسیاری از گجت های دیگر به کار می روند، اما این باتری های به طور خطی شارژ نمی شوند، بلکه فرایند چرخه شارژ شامل دو فاز جداگانه است.

فاز اول شامل «افزایش ولتاژ» و فاز دوم «ثابت ماندن شدت جریان» است. در مرحله اول ولتاژ به طور ثابت از 2 ولت شروع می شود و به مرور به 4.2 ولت افزایش پیدا می کند. تغییرات در این زمینه بسته به هر باتری متفاوت است. سپس در فاز دوم زمانی که ولتاژ به بالاترین حد می رسد به مرور از شدت جریان کم می شود. به این ترتیب زمانی که باتری به این شرایط می رسد به دلیل شدت جریان پایین تر، با سرعت کمتری شارژ می شود.

دقیقاً به همین دلیل است که باتری گوشی شما از ابتدا تا 50 یا 60 درصد ابتدایی با سرعت بیشتری نسبت به درصدهای بالاتر شارژ می شود. اما شارژ سریع در واقع بخش جریان ثابت را دستکاری می کنند و تا جای ممکن جریان بیشتری را به باتری تزریق می کنند و این فرایند تا زمانی ادامه پیدا می کند که ولتاژ به بالاترین میزان خود برسد.

به همین دلیل می توان گفت شارژ سریع، بیشتر در حالتی مفید است که باتری گوشی شما کمتر از 50 درصد باقی مانده باشد و از 80 درصد به بالا تقریباً هیچ تأثیری ندارد. در حقیقت شارژ در حالتی که جریان باتری ثابت است (به عبارتی در فاز اول و پیش از رسیدن به حداکثر ولتاژ) کمترین زیان را برای سلامت باتری گوشی شما در طولانی مدت دارد.

از سوی دیگر ولتاژ ثابت بالا در کنار گرما، دشمنان اصلی عمر باتری در طولانی مدت هستند. نباید عمر باتری را با شارژ دهی اشتباه گرفت. باتری پس از هر بار شارژ میزانی از ظرفیت اولیه خود را از دست می دهند تا اینکه در نهایت مقدار چندانی از ظرفیت آنها باقی نمی ماند. هر چه شرایط شارژ باتری پر تنش تر باشد، از میزان عمر آن کم شده و زودتر مستهلک می شود.

در نهایت باید اشاره کرد میزان ولتاژ و شدت جریان ارسال شده به باتری توسط مدارهای کنترلر ویژه ای در گوشی های همراه تنظیم می شوند. در کنار اینها حسگرهای ویژه ای میزان دما را کنترل می کنند و مقدار شدت جریان نیز مدیریت می شود تا سرعت شارژ در کنار عمر بیشتر باتری در طولانی مدت در بهینه ترین حالت ممکن باشند.

آیا شارژ سریع با ولتاژهای بالا مشکل ساز می شود؟

از آنجایی که ولتاژ باتری ها بین 3 تا 4.2 ولت است، پس شارژ کردن با ولتاژهای بالاتر مشکل ساز نمی شود؟ جواب سوال در ساختار مدارهای گوشی شما نهفته است.

مدارهای موجود در گوشی ولتاژ را کاهش داده و شدت جریان را افزایش می دهند. از آنجایی که توان از حاصل ضرب ولتاژ در شدت جریان به دست می آید (P=VI) در نهایت میزان توان ثابت باقی می ماند؛ البته اگر از اتلاف توان به علت گرما و سایر موارد صرف نظر کنیم. به این ترتیب میزان ولتاژ، در محدوده مناسب برای باتری محدود می شود.

به عنوان مثال 10 ولت و یک آمپر به 5 ولت 2 آمپر تبدیل می شود، در حالی که توان (تقریباً) همان 10 وات ثابت باقی می ماند. به طور معمول میزان بازدهی توان در حدود 90 درصد است و حدود 10 درصد از کل این مقدار به دلایلی که در بالا ذکر شد، از دست می رود. در نهایت باید گفت که ولتاژ بالاتر صدمه ای به باتری نمی زند، زیرا تا پیش از رسیدن به باتری کاهش پیدا می کند.

به طور معمول منابع تغذیه سوییچینگ که به صورت پله ای اقدام به کاهش ولتاژ و در نتیجه افزایش شدت جریان مستقیم خروجی می کنند، کارایی بالاتری نسبت به نمونه های رگولاتور خطی دارند، زیرا گرمای کمتری تولید می کنند که این موضوع در بحث خنک نگه داشتن گوشی و باتری ها نیز مفید واقع می شود.

چرا نیاز به استفاده از ولتاژ های بالاتر است؟

کابل های USB، خصوصاً نمونه های با طول بیشتر، مشکل کاهش توان ایجاد می کنند زیرا مقاومت کابل که با افزایش طول بیشتر هم می شود، موجب کاهش ولتاژ می شود (اشاره به قانون اهم).

در نتیجه اگر ولتاژ بالاتر ولی شدت جریان کمتر به کار گرفته شود، میزان توان کمتری هدر می رود. دقیقاً به دلیل اتلاف است که شبکه های برق متناوب شهری هم به جای ولتاژهای پایین از ولتاژهای بالا بهره می برند.

جمع بندی

شارژ سریع شامل استانداردهای متنوعی است که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در نسل های قدیمی تر استفاده از ولتاژ های بالاتر مرسوم بود، در حالی که اکنون تکنولوژی هایی به کار می روند که بر اساس آنها ولتاژهای کنترل شده پایین تر هستند ولی شدت جریان افزایش می یابد. البته فناوری های جدید به قیمت نیاز به کابل های ضخیم تر و مواردی از این قبیل تمام شده است.

اکنون فناوری USB Power Delivery به طور گسترده ای توسط بسیاری از شرکت ها پیاده سازی شده و احتمالاً در آینده به عنوان ستون فقرات تمامی استانداردهای شارژ مبتنی بر USB به کار خواهد رفت. از سوی دیگر احتمالاً بسیاری از شرکت ها همچنان به معرفی و ارائه فناوری های شارژ سریع تر ویژه خود در کنار سازگاری با استانداردهای عمومی موجود ادامه خواهند داد.