Технологии быстрой зарядки для носимых устройств

Админ

12 апреля 2016

Новости
зарядка

Технологии быстрой зарядки для носимых устройств.

Надеемся все заметили, что электроника в последнее время сильно “поумнела”. Действительно, вычислительные мощности растут по экспоненте. Но потребление энергии в таком темпе увеличиваться не может. В ход идут различные способы увеличения энергоэффективности, при этом в носимых гаджетах все так-же используют аккумуляторы. Последние давно используют все возможные технологии, что бы в минимальный размер упаковать как можно большую мощность. И аккумулятор емкостью 5000 мАч в смартфоне, уже не вызывает удивление. Но есть и обратная сторона медали, чем больше емкость батареи, тем дольше приходится ее заряжать. Или приходилось? Ведь в последнее время поумнели не только сами гаджеты, но и те устройства, которые их заряжают.

экономия заряда

Сейчас на рынке присутствует несколько технологий быстрой зарядки. Условно их можно разделить на две группы. Первая — это заряд напряжением 5В, которое является стандартным для USB. Вторая — это заряд любым другим напряжением, которое обеспечит передачу максимально возможной мощности. Обе технологии имеют свои достоинства и недостатки, и обе присутствуют на рынке в виде готовых изделий, например зарядные устройства Tronsmart.

Быстрая зарядка стандартным напряжением 5В.

USB стандарт имеет жесткое ограничение по максимально допустимому току на порту. Для версий USB 2.0 и ниже это 500мА. Что это значит? Это значит, что максимальная мощность, которую вы сможете передать, не нарушив требования стандарта, это 5*0,5=2,5Вт. Не густо, особенно с учетом того, что многие смартфоны сегодня имеют аккумуляторы с запасом более 10Вт/ч. То есть заряжать смартфон нужно минимум 4 часа. Для тех, кто делает это ночью проблем нет. Но как только появляется необходимость дозарядить свой смартфон в течении дня, сразу проблемы всплывают. И приходится выбирать, либо немного дозарядить устройство, либо опоздать на встречу, либо на встрече остаться без связи. Все варианты плохи. Как поступили производители, с подачи небезызвестной фруктовой компании? Они начали комплектовать свою продукцию зарядными устройствами с увеличенным током заряда. А для того, что бы устройство случайно не повредило источник напряжения (которым мог оказаться старый компьютер или ноутбук), внедрили простейшую схему детектирования. В зарядное устройство добавили два резистивных делителя на обе линии данных. Устройство, при подключении, анализировало уровни на этих линиях, и если они соответствовали уровням быстрой зарядки, то включался режим повышенного потребления.

сетевое юсб

Время зарядки удалось сократить в несколько раз. Для более простых устройств, некоторые производители ноутбуков пытались продвигать свои технологии, допускающие подачу более высокого тока в USB порт. Но попытки потихоньку сошли на нет, а все производители просто повысили нагрузочную способность USB портов, особо не афишируя это. Подобные действия для компьютеров позволило исправить недочет, который выводил из строя мосты на материнской плате., при случайном превышении устройством максимально допустимого потребления в 500мА. Все свежие схемотехнические решения как в компьютерах, так и в телевизорах с USB портом уже предусматривают возможное превышение тока в 500мА. А с принятием стандарта USB 3.0 максимально допустимое потребление увеличили абсолютно легально. Но поскольку физически разъемы одинаковы, то рассчитывать нужно на случайное подключение к слабому порту.

По-этому стандартом “де-факто” для любого мобильного устройства является потребление 500мА по линии 5В. Это нужно понимать. Т.е. в первую очередь любое устройство подключается с ограничением потребления в 2,5Вт. И только затем проверяет остальные условия, позволяющие увеличить нагрузку на линию.

Постепенно все производители начали осознавать необходимость уменьшения времени зарядки мобильных устройств. И начали применять различные способы идентификации включения режима быстрой зарядки. Разнообразие методов диктовалось наличием патентов на определенные технологии. И для того, что бы избавиться от лишних отчислений, которых и без этого хватает, крупные производители изобретали свои “велосипеды”. Наиболее заметными были три технологии:

 

  • технология быстрой зарядки от Apple, когда на линиях D+ и D- выставлялись определенные напряжения, и в зависимости от них заряжаемое устройство требовало 1А, либо 2,1А для зарядки
  • технология быстрой зарядки от Samsung, которая в чем-то повторяла технологию Apple, но была более интерактивной, и распознавание проходило в несколько этапов с изменением уровней на линиях D+ и D-
  • технология, которой пользовались изготовители смартфонов на Android, которая заключалась в том, что в быстрых зарядках были просто замкнуты линии D+ и D-

картинка юсб

Все технологии использовались одновременно, но были не взаимозаменяемы. И если у пользователя были устройства от разных вендоров, то количество зарядок все равно равнялось количеству устройств. И при выезде в командировку, либо на отдых приходилось либо брать множество зарядок, либо мириться с долгим процессом заряда. Все варианты были неудобны. Тогда производители зарядных устройств решили сделать универсальные устройства. И самым простым способом оказался способ последовательного перебора стандартных для разных устройств способов идентификации быстрой зарядки. При этом, как только смартфон определял знакомую комбинацию, увеличивалось потребление, что в свою очередь давало команду зарядному устройству остановиться на этом способе и не продолжать перебор.

Данную технологию подхватили многие производители зарядных устройств, но назвали каждый по-своему. Нужно было немного изменять алгоритм перебора режимов. В частности это технологии-близнецы VoltIQ и AIPower.

Быстрая зарядка нестандартным напряжением. Интеллектуальные системы Qualcomm Quick Charge.

Быстрая зарядка телефона через USB при 5В ограничивается несколькими существенными факторами. Во-первых, сам разъем USB имеет сертификацию до 5А. Во вторых медь, используемая в кабеле зарядки, имеет постоянное удельное сопротивление. Это означает, что при повышении тока через проводник определенного сечения, пропорционально увеличиваются потери в проводе. И если при слабом токе падение незначительное, то уже при токах в 2,5А падение в проводах снижают напряжение на потребителе ниже порога. И устройство не включает цепь зарядки. Выходом из подобной ситуации могло быть увеличение сечения проводника. Но все-равно выше 5А получить было нельзя. А с учетом того, что многие производители наводнили рынок устройствами, USB разъемы которых с трудом могли выдержать и трехамперную нагрузку, решение с дальнейшим увеличением тока было крайне сомнительным.

зарядка телефонов

По этому было принято решение увеличивать напряжение на зарядном устройстве. При этом силу тока можно оставить на прежнем уровне, соответственно и кабеля можно использовать существующие. При этом отдаваемая от зарядного устройства мощность увеличивалась в разы. Поскольку по нормативам напряжение до 36В включительно считается безопасным для человека, то в теории максимум на зарядке может быть поднят до 36В. И если использовать существующие провода, то теоретический максимум отдаваемой мощности может быть равным 2,5*36=90Вт. Но предвидя дальнейший рост необходимой мощности производители заранее решили внести изменения в сам стандарт USB, приняв весьма достойную замену для MicroUSB и USB — USB версии 3.1, а в дополнению к нему новый разъем USB Type C.

Это позволило, как увеличить в несколько раз нагрузочную способность самого разъема, так и увеличить его пропускную способность. Ожидается в ближайшее время бум на этот тип соединения, какое в свое время произвело повсеместное внедрение стандарта USB.

зарядное устройство

Но в текущих реалиях все идет постепенно. И основные игроки на мобильном рынке пытаются занять и стандартизировать нишу быстрых зарядок, и здесь работает простое правило, кто быстрей —  тот диктует свои условия. Уже даже чисто китайские бренды, такие как Oppo, заявили о своих технологиях. В частности в 2016 году заявлена технология быстрой зарядки Oppo Super VOOC Flash Charge, позволяющая зарядить типичный смартфон за 15 минут.

Но главную роль, как и везде, играют очень крупные производители. И Qualcomm является их типичным представителем. Еще в 2012 она разработали технологию быстрой зарядки Quick Charge. В 2015 году данная технология достигла версии 3.0.

современные устройства

Зарядное устройство Quick Charge для автомобиля

В чем же суть этой технологии? Суть проста — при соединении гаджета с зарядкой, на устройство подаются максимально допустимые для старого стандарта USB уровни напряжения и тока. Это 5В и 500мА. Затем устройства между собой начинают обмениваться данными. Этот обмен является многоступенчатым. И лишь при успешном прохождении всего согласования на выходе зарядного устройства появляется повышенное напряжение. И даже в случае полного выхода управляющей микросхемы из строя, напряжение на выходе зарядки будет 5В, что в любом случае обезопасит любое устройство, подключенное к порту быстрой зарядки. Что бы понимать, вредна ли быстрая зарядка телефону, давайте возьмем калькулятор, и посчитаем. Современные  аккумуляторы допускают заряд током до 5C. Если взять обычную на сегодня емкость аккумулятора 2500мАч, то в теории ее можно заряжать током в 12,5А. Что дает нам возможность подавать 50Вт на вход. Если же емкость аккумулятора будет 4000мАч, то ток можно будет увеличить до 20А, что поднимает планку до 80Вт.

Что нам может предоставить технологий Quick Charge? А эта технология, даже в самой свежей версии 3.0 может обеспечить 18Вт отдаваемой мощности. То есть это даже сейчас выглядит недостаточным. Значит технология будет иметь индекс 4.0, 5.0 и далее.

виды зарядок

Теперь об основных отличиях разных версий именно технологии быстрой зарядки Qualcomm Quick Charge. Самая первая версия, как и все остальные конкуренты в то время, работала с напряжением 5В. Придя к выводу, что более 2,4А подавать от зарядного устройства не имеет смысла, можно посчитать, что выше 12Вт получить при 5В сложно. И первая версия сменилась следующей, как только был стандартизирован протокол согласования. Одновременно чипмейкеры получили право и возможность выпускать специализированные чипы, позволяющие встраивать поддержку технологии Quick Charge в зарядные устройства. В версии 2.0. регламентируется несколько фиксированных значений напряжений и токов. Это 5В/2А, 9В/2А, 12В/1,5А и с оговорками 20В/0,9А. Как видим, максимальная отдаваемая мощность ограничена значением 18Вт. Но даже такое увеличение позволяют полностью зарядить мобильное устройство менее чем за час. Именно отсутствие технологий изготовления более емких батарей, с кратным уменьшением их площади, на сегодня делают нецелесообразным увеличение отдаваемой зарядкой мощности. И Qualcomm пошла по пути увеличения гибкости, что не менее полезно для носимых устройств. В версии Quick Charge 3.0 регламентируется плавное изменение отдаваемой мощности с плавным изменением выходного напряжения в диапазоне от 3,6В до 20В, с шагом 0,2В. Это позволит в ближайшем будущем убрать контроллер заряда из аккумулятора, оставив в нем лишь предохранение от глубокого разряда. Данный шаг позволит сделать носимые модели еще более компактными.

устройство и зарядка

Сетевые умные зарядки Tronsmart 

На текущий момент обе технологии, как старая 5 вольтовая, так и новые высоковольтные имеют право на жизнь. У старой есть неоспоримое преимущество — она обеспечивает возможность быстрой зарядки любых старых устройств, которые уже имеются в вашем распоряжении. По этой технологии, на одном и том же порту можно с одинаковой эффективностью заряжать как  iPad самой первой версии, так и относительно свежие модели смартфонов от Samsung. А у новых технологий, таких как Quick Charge отсутствует теоретическое ограничение отдаваемой мощности сверху.

На рынке зарядных устройств прочную позицию занимает компания Tronsmart, зарядные устройства которой получили сертификацию от Qualcomm одними из первых. Хотим напомнить, что для получения максимальной эффективности от новых технологий, кабеля нужно использовать соответствующие. Любая система работает эффективно только в случае ее согласованности. А разумный подход к выбору зарядного устройства поможет сохранить как время, так и нервы. А в некоторых случаях и ваш гаджет, ведь сгоревший в самый неподходящий момент смартфон не только приблизит время покупки нового, но и может сильно затянуть сроки выполнения вашей непосредственной работы. А это уже может финансово сильней, чем покупка нового устройства, отразиться на вашем устрое жизни.