شارژ سریع، یکی از مهم ترین و ضروری ترین ویژگی ها در گوشی های هوشمند است. از آنجایی وجود این فناوری ضروری است که شارژدهی باتری اسمارتفون ها رضایت بخش نیست. بنابراین باید زمان شارژ شدن باتری کم باشد. همین اصلی ترین دلیل برای ابداع فناوری شارژ سریع توسط کمپانی های مختلف بود. در حالی که هدف تمامی فناوری های شارژ سریع چیزی جز کوتاه شدن زمان شارژ باتری نیست، تفاوت هایی بین آنها وجود دارد. برخی از این فناوری ها فقط با کابل و شارژرهای خاصی کار میکنند در حالی که برخی دیگر وابسته به ولتاژ بالا هستند. همین باعث شده تا این فناوری برای کاربران کمی گمراه کننده باشد و سوالاتی در مورد آنها در ذهن شکل بگیرد.
در ساده ترین تعریف برای فناوری شارژ سریع میتوانیم بگوئیم، این فناوری مقدار جریانی که به باتری برای شارژ شدن آن ارسال میشود را افزایش میدهد تا باتری سریعتر شارژ شود. مدل ساده USB فقط 0.5 آمپر از 5 ولت را برای 2 وات ارسال میکند. در حالی که شارژ سریع تمام این اعداد را افزایش میدهد. فناوری شارژ سریع سوپر شارژ هواوی، 25 وات را در 5V/5A تولید میکند. Adaptive Fast Chargingسامسونگ هم در مقدار 9V/1.7A، مقدار 15 وات را تولید میکند. تمام فناوری های شارژ سریع یک ویژگی مشترک دارند و آن هم انتقال بیشتر جریان برق است. این توضیحی ساده در مورد شارژ سریع بود اما شکل کارکرد آن، پیچیده تر است. پیش از اینکه به سراغ این موضوع برویم، بهتر است به تفاوت هایی که بین فناوری های شارژ سریع موجود در بازار نگاهی داشته باشیم.
توضیح استانداردهای شارژ سریع
انتقال قدرت USB (USB-PD)
سیستم انتقال قدرت از طریق USB شکل رسمی فناوری شارژ سریع است که توسط USB-IF در سال 2012 ابداع شد. این استاندارد برای هر دستگاهی که از یک پورت USB برخوردار است، قابل استفاده است که البته این پورت پیش نیازهای نرم افزاری و مداری را داشته باشد. همانند تمامی فناوری های شارژ سریع، USB-PD برای برقراری ارتباط بین شارژر و گوشی، یک پروتکل اطلاعاتی را پیاده سازی میکند. این پروتکل بیشترین میزان انتقال انرژی برای هر دو مورد گوشی و شارژر را تعیین میکند.
USB-PD قابلیت افزایش قدرت خروجی انرژی را تا مقدار 100 وات دارد. مقدار انرژی قابل دسترس به مقادیر مختلفی از ولتاژ تقسیم میشود. حالت 7.5W+ و 15W+ برای گوشی های هوشمند بهترین حالت هستند در حالی که مقدار 27 وات یا بالاتر برای لپ تاپ ها و دیگر دستگاه های قدرتمندتر کاربرد دارد. همچنین استاندارد USB-PD از قدرت دو طرفه پشتیبانی میکند که باعث میشود امکان شارژ لوازم جانبی از طریق موبایل وجود داشته باشد. گوشی های پیکسل گوگل از این فناوری برخوردارند و همچنین اپل هم در آیفون 8، آیفون ایکس و جدیدترین مک بوک های خود از USB-PD استفاده کرده است. در حالی که بسیاری از کمپانی ها ترجیح میدهند از فناوری شارژ سریع خود استفاده کنند.
فناوری شارژ سریع کوالکام رایج ترین این فناوری در صنعت گوشی های هوشمند محسوب میشود و به نوعی استاندارد شارژ سریع پیشفرض این گجت ها است.نسخه 4.0+ این فناوری با Power Delivery سازگاری دارد و امکان شارژ سریع تر باتری را با پشتیبانی از رنج وسیع تر به دنبال دارد. Quick Charge یک ویژگی موجود در پردازنده های اسنپدراگون است اما بدین معنا نیست که تمام گوشی های مجهز به اسنپدارگون، از Quick Charge پشتیبانی میکنند. با این حال اکثر مدل ها شامل این ویژگی میشوند و تمامی پرچمداران مجهز به تراشه های اسنپدراگون، مانند LG G7، گلکسی نوت 8، HTC U12 Plus و غیره از این فناوری برخوردارند.
دیگر استاندارهای شارژ سریع
همان طور که در مقدمه مطلب اشاره شد، امروزه فناوری های شارژ سریع مختلفی در بازار هستند و سازندگان فناوری های اختصاصی خود را توسعه داده اند که بسیاری از آنها فقط نمونه های تغییر اسم یافته از Quick Charge یا USB-PD هستند یا ویژگی های خاصی را به آنها اضافه کرده اند. Adaptive Fast Charging سامسونگ یا Turbo Charging موتورولا از جمله این فناوری ها هستند. در این میان فناوری هایی مانند VOOC شرکت اوپو یا Super Charge هواوی کاملا متفاوت هستند. در این دو سیستم به جای افزایش ولتاژ، انتقال جریان به طور چشمگیری افزایش پیدا کرده است. در جدول زیر مشخصات مهم ترین فناوری های شارژ سریع را مشاهده میکنید.
این امکان هم وجود دارد که یک دستگاه از استانداردهای مختلفی از شارژ سریع پشتیبانی کند یا اینکه دست کم تا حدی با آنها سازگاری داشته باشد. متاسفانه نتایج کاملا غیر قابل پیش بینی حین استفاده یک گوشی با شارژر و کابل های مختلف به دست آمده است و منطقی در تخمین عملکرد دستگاه در این حالت وجود ندارد. این موضوع عملا تست شده است و نتایج نشان میدهد بهترین عملکرد دستگاه در شارژ شدن زمانیست که شما از شارژر و کابلی که داخل جعبه بوده استفاده کنید.
یک باتری لیتیوم یون چگونه سریع شارژ میشود؟
تا اینجای مقاله با استانداردهای مختلف و تعریف کلی شارژ سریع آشنا شده ایم و حالا باید با جزئیات عملکرد این فناوری آشنا شویم. باتری های لیتیوم یون در تمام گجت های قابل حمل امروزی از جمله گوشی های هوشمند استفاده میشوند. پروسه شارژ این باتری دو فاز متمایز با یکدیگر دارد. در فاز اول، یا ولتاژ افزایش پیدا میکند و یا جریان پایدار باقی میماند. ولتاژ باتری به طور پیوسته افزایش پیدا میکند و از کمترین مقدار 2 ولت شروع میشود و در اوج به مقدار 4.2 ولت میرسد. این موضوع بستگی به خود باتری دارد. طی این مرحله باتری بالاترین مقدار جریان برق را دریافت میکند و تا زمانی که ولتاژ باتری باقی بماند، این روند ادامه خواهد داشت.
سپس ولتاژ پایدار میشود و جریان شروع به پائین آمدن میکند. باتری هایی که بعد از این مرحله شارژ میشوند، جریان کمتری را دریافت میکنند و طبیعتا آهسته تر شارژ میشوند. احتمالا حالا متوجه شده اید که چرا گوشی شما در 50 یا 60 درصد اولیه شارژ سریعتر شارژ میشود. فناوری های شارژ سریع، این فاز را ثابت نگه میدارند. حداکثر مقدار جریان برق را به باتری منتقل میکنند پیش از اینکه مقدار ولتاژ به اوج خود برسد. بدین ترتیب فناوری های شارژ سریع بیشتر زمانی کاربرد دارند که میزان شارژ باتری شما کمتر از 50 درصد باشد و پس از پر شدن 80 درصد از باتری، تاثیر این فناوری ها به کمترین مقدار خود میرسد. در حقیقت شارژ باتری با جریان ثابت کمترین تاثیر را بر روی عمر باتری دستگاه میگذارد. در حالی که ولتاژ ثابت در کنار گرمای زیاد، باعث آسیب به باتری و کم شدن عمر آن میشود.
در نهایت شدت جریان و ولتاژی که به گوشی انتقال پیدا میکند از طریق مدار کنترلر شارژ داخل گوشی کنترل میشود. این مدار از ترکیب سنسورهای حساس به حرارت و ولتاژ تشکیل شده است بنابراین کنترلر قادر است مقدار جریان وارد به گوشی را بهینه سازی کند و تعادل را بین سرعت شارژ و عمر باتری برقرار کند.
برخی از شما ممکن است با ابهامات و مشکلاتی روبرو باشید. اگر باتری های لیتیوم یون ولتاژی بین 3 تا 4.2 ولت دارند، شارژ آنها با ولتاژ بالاتر مخاطره آمیز نیست؟ طبیعتا باید این چنین باشد اما گوشی های هوشمند ولتاژ را کم میکنند و جریان را افزایش میدهند. با این کار روند انتقال انرژی به صورت یکسان انجام میشود اما مقدار ولتاژ را در مسیری درست قرار میدهد. ضمن اینکه کابل های شارژ سریع کار تبدیل ولتاژ AC را انجام نمیدهند. اگر به پشت شارژر گوشی خود نگاه کنید، متوجه آیکون جریان DC خواهید شد. با کابل USB جریان فقط به شکل مستقیم (DC) انتقال پیدا میکند. در فناوری های شارژ سریع ولتاژ بالا از یک سوئیچ استفاده میشود که به عنوان مبدل هم شناخته میشود. این سوئیچ، ولتاژ مستقیم بالا را به مقدار ولتاژ کمتری تبدیل میکند.
کاهش انتقال انرژی از مقدار 10V/1A به 5V/2A بعد از تبدیل مقدار ایده آلی است. البته در دنیای واقعی همواره مقداری اتلاف وجود دارد و راندمان معمولا بالاتر از 90 درصد است. اتلاف انرژی به شکل گرما انجام میشود. در منابع تغذیع سوئیچی، انرژی کمتری نسبت به رگلاتورهای خطی صورت میگیرد.
چرا از ولتاژهای بالا استفاده میشود؟
دو دلیل اصلی برای استفاده از ولتاژهای بالاتر وجود دارد. اول، منابع تغذیه سوئیچ مانند راندمان بهتری نسبت به رگلاتورهای خطی دارند که از طریق اتلاف حرارت، ولتاژ را کاهش میدهند. این موضوع به خصوص برای گوشی های هوشمند که باید دمای آنها کنترل شده باشد، حائز اهمیت است. دلیل دوم به اتلاف قدرت از طریق کابل های USB، به خصوص مدل هایی که طول آنها زیاد است مربوط میشود. طول کابل به عنوان یک مقاومت عمل میکند که باعث افت ولتاژ جریان داخل کابل میشود.( بر اساس قانون اهم) انتقال قدرت یکسان با استفاده از ولتاژ بالاتر و جریان کمتر، باعث میشود اتلاف در این بخش از طریق کابل کمتر شود. به همین دلیل راندمان کار بیشتر است و قدرت اصلی، به جای 5 ولت، صدها ولت است.
حداکثر فشار خروجی برق به اندازه القاگر، خازن، موج ولتاژ و همچنین فرکانس جابجایی و ظرفیت ترانزیستورها بستگی دارد. فقط از این طریق به واسطه یک رگلاتور ولتاژ خطی مرسوم میتوان به یک شدت جریان بسیار بالا دست پیدا کرد. به همین دلیل است که برخی فناوری های شارژ سریع ولتاژ پائین، مانند فناوری های شرکت های اوپو و هواوی قدرت بیشتری را نسبت به مدل های ولتاژ بالایی مثل فناوری های کوالکام و سامسونگ ارائه میدهند.
نمودار بالا نشان میدهد که چگونه در فناوری شارژ سریع PumpExpress 3.0 و 4.0 شرکت مدیاتک، شدت جریان شارژ تا 5 آمپر افزایش پیدا میکند. اگر یک کابل 5 آمپر متصل شده باشد، دسترسی به شدت جریان بیشتر هم ممکن میشود.
شارژ سریع در کنار خود فناوری های های متفاوت دیگری را هم بوجود میآورد که هر کدام از آنها مزایا و معایب خاص خود را دارند. به همین دلیل اکنون استانداردهای متنوعی از این فناوری در بازار به وجود آمده است و کمپانی ها برای سریع تر شدن شارژ دستگاه و عمر باتری فناوری اختصاصی خود را ابداع کرده اند. در چندین نسل قبل، افزایش ولتاژ کاری عادی برای افزایش سرعت شارژ حساب میشد اما فناوری های جدید ولتاژ را کنترل میکنند و در عوض شدت جریان را افزایش میدهند. لازمه این اقدام هم کابل های ضخیم تر است که دردسر سازگاری را به دنبال دارند. استاندارد USB-PD در حال حاضر به صورت وسیع استفاده میشود و احتمالا در آینده در تمام فناوری های شارژ USB استفاده خواهد شد. ضمن اینکه احتمالا کمپانی ها به روند توسعه فناوری های شارژ سریع خود و افزایش سرعت آنها ادامه خواهد داد.
