Wraz z ewolucją smartfonów konstruktorzy telefonów spotkali się z poważnym problemem – rosnącym zapotrzebowaniem na energię. Aby smartfon mógł wytrzymać 1 dzień bez ładowarki, konieczne było najpierw podwojenie, a następnie potrojenie pojemności baterii w stosunku do akumulatorów montowanych w klasycznych telefonach. Konsekwencją tego był zwiększony rozmiar obudowy i znacznie dłuższy czas ładowania. Oba problemy próbowano rozwiązać, my zajmiemy się tym drugim – technologiami szybkiego ładowania w smartfonach.
Ograniczenia standardu USB
Zacznijmy od pokrewnego tematu, a mianowicie możliwości przesyłania prądu za pomocą standardu USB. Początkowo porty USB miały ułatwiać podłączanie do komputera takich urządzeń, jak drukarki, klawiatury i myszy. Port miał przede wszystkim zapewnić komunikację i ewentualnie zasilić małe urządzenia. Nie był to wtedy żaden problem, przecież np. klawiatury podłączało się do portu PS/2, który oferował napięcie 5 V i natężenie 100 mA. USB przewidywało maksymalny pobór prądu na poziomie 500 mA, napięcie bazowe pozostało bez zmian, przewidziano wahania między 4,75 V a 5,25 V. Nikt w tamtym czasie nie ładował telefonów z portu USB, klasyczne ładowarki podłączanie pod złącze producenta były szybsze. Poza tym kable USB do telefonów były prawie niespotykane. Czasy jednak się zmieniały, przybywało urządzeń takich jak zewnętrzne dyski twarde, które wymagały większego prądu zasilania. Początkowo producenci wyposażali je w 2 wtyczki USB, jednak było to niepraktyczne. Rozwiązaniem było USB 3.0. Nowa wersja specyfikacji przewidywała zasilanie prądem 900 mA. To wystarczający prąd dla urządzeń peryferyjnych, ale nie dla zbliżających się smartfonów. Kolejnym rozwiązaniem był USB charging port. Powstały 2 wersje, pierwsza przewidywała dostarczanie prądu na poziomie 1,5 A, jednak konieczne było zrezygnowanie z możliwości transmisji danych. Przewody D+ i D- (odpowiedzialne za przesył danych) musiały być zwarte rezystorem 200 Ω. Druga wersja miała niemal identyczne parametry, różniła się tylko uaktywnioną funkcją transmisji danych.
Jak działa Quick Charge?
Technologia Quick Charge została opracowana przez firmę Qualcomm. Aby z niej skorzystać producent telefonu musi zamontować w swoim telefonie odpowiedni procesor Qualcomma (ten krok prawdopodobnie można pominąć), specjalny kontroler ładowania i zapłacić za wykorzystane technologie. Pierwsza wersja Quick Charge podnosiła maksymalny prąd ładowania do 2 A, co oznaczało ładowanie z mocą 10 W. Nie była to ogromna rewolucja, przez co o standardzie nie zrobiło się głośno. Nieco inaczej sprawa wyglądała w przypadku Quick Charge 2.0. Standard ten poza regulowanym natężeniem pozwala na zmianę napięcia ładowania – do wyboru jest 5 V, 9 V, 10 V i 20 V. W ten sposób można podnieść moc, a producent może sam zadecydować, jaki prąd jest najbardziej efektywny i z jakim poradzi sobie elektronika telefonu. Napięcia mogą się także zmieniać podczas procesu ładowania. Jest to spowodowane tym, że akumulator wraz ze wzrostem poziomu naładowania stawia coraz większy opór i szybkość ładowania spada. W przypadku QC 3.0 przewidziano napięcia od 3,6 do 20 V, z regulacją co 200 mV, podniesione zostało także natężenie.
Jak działa Dash Charge?
Na wstępie zaznaczam, że na tej samej zasadzie działa Oppo VOOC i Super Charge od Huawei. Standard ten powstał według całkowicie innej filozofii. W przeciwieństwie do Quick Charge, Dash Charge nie zmienia napięcia ładowania. Zamiast tego podnoszone jest natężenie, możemy mówić o naprawdę kosmicznych wartościach. Promowane przez OnePlus Dash Charge oferuje prąd 5 V 4 A, co daje nam 20 W mocy.
Pump Express
MediaTek opracował własną konkurencję dla technologii od Qualcomma. Pierwsza wersja Pump Express przewidywała 3 tryby pracy:
- Standardowe ładowanie – 5 V 1,67 A
- Turbo 1 – 7 V 1,67 A
- Turbo 2 – 9 V 1,67 A
Jak widać była to kopia Quick Charge, i to niezbyt udana. Technologia działa, ale nie ma szans na podobne osiągi. Jakiś czas temu zaprezentowano Pump Express 3.0. Od razu zaznaczam, że nie odnalazłem specyfikacji, ani jakichkolwiek śladów drugiej wersji tego standardu. MediaTek wraz z trzecią generacją zaprezentował własny pomysł na skrócenie czasu ładowania. Pump Express 3.0 ma pozwolić na bezpośrednie ładowanie baterii, z pominięciem kontrolera. Niestety, pierwsze smartfony z obsługą tego standardu miały pojawić się na rynku dokładnie rok temu. Tak się nie stało, media milczą na temat rozwoju tej technologii.
Czym różnią się technologie szybkiego ładowania?
Nie ma rozwiązań bez wad, podobnie jest z technologiami szybkiego ładowania. Quick Charge i Dash Charge to skrajnie różne rozwiązania. W przypadku technologii od Qualcomma poważnym problemem jest wydzielanie się ciepła. Telefon otrzymuje bardzo wysokie napięcie, które musi obniżyć za pomocą przetwornicy step-down. Z tego powodu wewnątrz urządzenia zauważalnie wzrasta temperatura. Ma to ogromne znaczenie podczas jednoczesnego ładowania i korzystania z urządzenia, prawdopodobnie szybko dojdzie do przegrzania i obniżenia taktowania procesora. Dash Charge nie ma tego problemu, napięcie jest obniżane w niewielkim stopniu. Problemem jest jednak transport energii. Musimy wyposażyć się w wysokiej jakości przewód USB, ponieważ przy takim prądzie bardzo łatwo o straty energii. Taki kabel musi trzymać się pewnych standardów, jak np. długość i grubość żył. Należy również uważać na ewentualne uszkodzenia. Sama ładowarka nagrzewa się zauważalnie mocniej, niż konkurencyjne ładowarki Quick Charge, co jest wynikiem generowania wysokiego natężenia. Oba problemy rozwiązał MediaTek w Pump Express 3.0. Ładowarka generuje prąd, który trafia bezpośrednio do baterii. Można się domyślać, że rozwiązanie bazuje na wykorzystaniu wysokiego natężenia, być może nawet wyższego, niż w przypadku dotychczas opisanych wcześniej rozwiązań. Wyeliminowano jednak kontroler, który był złodziejem energii. W takim wypadku wystarczy jedynie tyrystor, element świetnie znoszący takie warunki pracy. Niestety, ten genialny pomysł prawdopodobnie pozostanie na desce kreślarskiej. Idea ta ma kilka niewyjaśnionych kwestii, jak bezpieczeństwo, kontrolowanie pracy i parametrów ładowarki oraz kompatybilność ładowarek. W najbliższym czasie nie zanosi się na rewolucję, pozostaje nam zaakceptować istniejące obecnie technologie.