شارژ سریع که ممکن است آن را تحت نام‌های Fast Charging و یا Quick Charging نیز شنیده باشید، یک فناوری و قابلیت جدید است که امروزه در اکثر تلفن‌های همراه هوشمند وجود دارد. شارژ سریع درواقع یک مفهوم است و هر شرکتی می‌تواند آن را به شکل اختصاصی خود طراحی و تولید نماید و برای اولین بار نیز شرکت کوالکام (Qualcomm) این مفهوم را شکل داد. همان‌طور که از نام این فناوری پیداست، شارژ سریع موجب می‌شود که باتری تلفن، تبلت یا هر دستگاه دیگری با سرعت بیشتری نسبت به حالت معمول شارژ شود. وجود این قابلیت مزایایی دارد؛ به‌طور مثال این قابلیت در روزهای شلوغی که حسابی با موبایلمان سروکار داریم و به آن نیاز داریم، باتری‌های موبایلمان را سر پا نگه می‌دارد. همان‌طور که گفته شد شرکت‌های مختلف استانداردهای مختلفی ارائه کرده‌اند؛ بعضی از دستگاه‌ها فقط با کابل‌ها و شارژرهای مخصوص به خود کار می‌کنند، درحالی‌که سایرین از ولتاژ بالاتر نیز می‌توانند استفاده کنند. این موارد می‌توانند کمی گیج‌کننده باشند، بنابراین ما در این مقاله اطلاعاتی را به شما ارائه می‌دهیم تا بتوانید این مسائل را دقیق‌تر و بهتر درک کنید.

اگر بخواهیم به‌طور خلاصه بیان کنیم بایستی بگوییم که Fast Charging باعث افزایش میزان جریان ارسال‌شده به باتری می‌شود تا ظرفیت آن سریع‌تر پر شود. با توجه به مشخصات پایه‌ای USB، فقط جریان 0.5 آمپر (A) با استفاده از ولتاژ 5 ولت (V) فقط برای توان 2.5 وات (W) ارسال می‌شود. فناوری Fast Charging این ارقام را افزایش می‌دهد. قابلیت‌های 10V/4A SuperCharge2.0 در هوآوی به میزان 40 وات و 9V/1.7A Adaptive Fast Charging در سامسونگ به میزان 15 وات انرژی تولید می‌کنند.

تمام موارد بیان‌شده، فقط یک دیدگاه کلی را به نمایش می‌گذارند. نحوه‌ی شارژ شدن یک باتری درواقع مبحثی پیچیده‌تر ازآنچه گفته شد، است. قبل از این‌که به‌صورت دقیق‌تر به این موضوع بپردازیم، بیایید باهم جزئیات بیشتری را در مورد همه‌ی این استانداردهای Fast Charging بررسی کنیم.

استانداردهای Fast Charging

USB Power Delivery

USB Power Delivery که مختصراً با عبارت USB-PD یاد می‌شود، مشخصات رسمی مربوط به Fast Charging است که توسط USB-IF در سال 2012 منتشرشده است. این استاندارد می‌تواند توسط هر دستگاه با یک پورت USB مورداستفاده قرار گیرد، درصورتی‌که سازنده‌ی آن دستگاه شدت‌جریان برق و وجود نرم‌افزارهای لازم را رعایت کرده باشد. درست همانند تمام استانداردهای Fast Charging، USB-PD یک پروتکل داده برای برقراری ارتباط بین شارژر و تلفن را اجرا می‌کند. این مورد حداکثر میزان قابل‌تحمل تحویل برق برای هر دو شارژر و گوشی را نشان می‌دهد. USB Power Delivery میزان پایه‌ی سرعت شارژ USB را تا میزان 100 وات در توان خروجی افزایش می‌دهد. مقدار نیروی موجود به درجه توان‌های مختلف که در ولتاژهای مختلف کار می‌کنند، تقسیم می‌شود. حالت‌های+ 7.5W و +15W برای گوشی‌ها بهترند، درحالی‌که میزان 27 وات و بیشتر از آن برای لپ‌تاپ‌ها و سایر دستگاه‌های توان بالا مناسب است. این استاندارد همچنین از نیروی برق دوسویه پشتیبانی می‌کند و تلفن شما را قادر می‌سازد که لوازم جانبی دیگر را شارژ کند.

Cap = میزان ظرفیت

سری Pixel از شرکت گوگل، از استاندارد و مشخصات رسمی Power Delivery استفاده می‌کند. شرکت اپل نیز این استاندارد را در iPhone 8، iPhone X و آخرین مک بوکهایش اجرا می‌کند. جالب است بدانید که بسیاری از شرکت‌ها استانداردهای شارژ اختصاصی خود را ترجیح می‌دهند.

فناوری شارژ سریع Qualcomm یا Qualcomm Quick Charge

فناوری شارژ سریع Qualcomm، سابقاً به‌صورت پیش‌فرض استاندارد مورداستفاده در صنعت گوشی‌های هوشمند بود، درنتیجه فناوری شارژ سریع قبل‌تر از USB Power Delivery محبوب و مورداستفاده بوده است. آخرین نسخه‌ی  4.0+از فناوری شارژ سریع با Power Delivery سازگاری دارد و افزایش سرعت fast-charging و گستره‌ی وسیع‌تری از پشتیبانی را به دنبال دارد.

شارژ سریع یکی از ویژگی‌های اختیاری موجود در پردازنده‌های Snapdragon با فناوری Qualcomm است. درنتیجه به‌صرف وجود یک تراشه‌ی Qualcomm در یک تلفن، نمی‌توان گفت که آن تلفن دارای قابلیت شارژ سریع است. بااین‌حال، طیف گسترده‌ای از تلفن‌ها دارای قابلیت شارژ سریع هستند، ازجمله LG V40، Xiaomi Mi 8، Samsung Galaxy Note 9، HTC U12 Plus و بسیاری دیگر … .

استانداردهای دیگر

در دنیای تلفن‌های هوشمند، بسیاری از مدل‌ها از فناوری‌های اختصاصی خود بیشتر از استانداردهایی که بالاتر ذکر شدند، استفاده می‌کنند. بااین‌حال، فقط تعداد کمی از این استانداردها واقعاً اختصاصی هستند؛ بسیاری از آن‌ها فقط به‌نوعی شکلی دیگر از Power Delivery و یا Quick Charge (شارژ سریع) هستند که با یک نام متفاوت و یا با اعمال برخی تغییرات خاص ارائه‌شده‌اند؛ مانند فناوری‌های شارژ Adaptive (سازگار) در سامسونگ و یا شارژ Turbo در موتورولا. فناوری‌های دیگر مانند VOOC از Oppo و یا SuperCharge از Huawei کاملاً متفاوت عمل می‌کنند. آن‌ها به‌طور گسترده‌ای به‌جای افزایش میزان ولتاژ، میزان جریان را برای شارژ توان بالا افزایش می‌دهند. سرعت شارژ این فناوری‌های اختصاصی در طول سال‌ها تا حد زیادی افزایش یافته است؛ از سریع‌ترین انواع موجود در بازار می‌توان به این موارد اشاره کرد: SuperCharge، Super VOCC و OnePlus’ WarpCharge 30.

به جدول زیر توجه کنید؛ با توجه به این جدول می‌توانید ویژگی‌های مختص به هر فناوری را مشاهده نموده و آن را با سایرین مقایسه نمایید.

امکان پشتیبانی از استانداردهای چندگانه یا حداقل اطمینان از سطح سازگاری با روش‌های مختلف fast charging وجود دارد. متأسفانه این موضوع باعث غیرقابل‌پیش‌بینی بودن میزان دقیق سرعت شارژی که تلفن‌ها با شارژرها و کابل‌های مختلف دریافت می‌کنند، می‌شود. پس از آزمایش چندین تلفن، بر اساس شارژر و کابل مورداستفاده، تغییرات گسترده‌ای در میزان مصرف انرژی در هر تلفن مشاهده می‌شود. بهترین نتایج به‌طورمعمول با استفاده از کابل و شارژر عرضه‌شده در جعبه‌ی مربوط به هر تلفن که در زمان خرید با آن عرضه می‌شوند، به دست آمد.

نحوه‌ی شارژ سریع یک باتری لیتیوم-یون (Lithium-ion)

حال که درباره‌ی استانداردهای مختلف توضیح داده و آن‌ها را بررسی کرده‌ایم، اجازه دهید به این موضوع بپردازیم که fast charging درواقع چگونه به چرخه‌ی شارژ یک باتری سرعت می‌بخشد. باتری‌های لیتیوم-یونی که در تلفن‌های هوشمند و سایر ابزارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند، به شکل خطی شارژ نمی‌شوند. چرخه‌ی شارژ باتری به دو مرحله‌ی مجزا تقسیم می‌شود. اولین مرحله، مرحله‌ی افزایش ولتاژ و مرحله‌ی ثابت بودن جریان است. ولتاژ باتری در حال شارژ به‌طور پیوسته از مقدار کمی مثل 2 ولت به حداکثر مقدار خود و تا حدود 4.2 ولت افزایش می‌یابد. این میزان بسته به نوع دقیق یک باتری متفاوت است. در این مرحله باتری حداکثر مقدار جریان را دارا است و این مقدار تا زمانی که ولتاژ باتری به حداکثر میزان خود برسد، ثابت باقی می‌ماند. سپس میزان ولتاژ ثابت می‌شود و میزان جریان با یک سیر نزولی کاهش میابد. پس از عبور از این نقطه (به نمودار زیر توجه نمایید)، باتری‌ها جریان کمتری دریافت می‌کنند و بنابراین روند شارژشان کند می‌شود. به همین علت است که سرعت شارژ تلفنتان تا رسیدن به حدود 50 یا 60 درصد، بالا است اما بعد از آن کمی کند می‌شود.

همان‌طور که در نمودار بالا می‌بینید، شارژ باتری در دو مرحله اتفاق می‌افتد:

1. افزایش ولتاژ / جریان ثابت
2. ولتاژ ثابت / کاهش جریان

فناوری‌های Fast charging از مرحله‌ی جریان ثابت یعنی مرحله‌ی اول استفاده می‌کنند؛ چگونه؟ با پمپاژ بیشترین مقدار ممکن جریان به باتری قبل از رسیدن به بالاترین حد ولتاژ یا اصطلاحاً پیک (peak) ولتاژ؛ بنابراین وقتی‌که میزان شارژ باتری دستگاه شما کمتر از 50 درصد کامل است، فناوری‌های Fast charging کارآمد هستند، اما وقتی میزان شارژ باتری از مقدار 80 درصد رد می‌شود، میزان تأثیر این فناوری ناچیز خواهد بود. شارژ در حالت جریان ثابت، ضرر کمتری برای سلامت باتری در درازمدت دارد درصورتی‌که استفاده از حالت میزان ولتاژ ثابت یعنی مرحله‌ی دوم باعث کوتاهی عمر باتری می‌شود؛ توجه کنید که میزان ولتاژ ثابت با مقدار بیشتر با گرما همراه است. درنهایت، مقدار ولتاژ و جریان انتقال داده‌شده به باتری از طریق یک مدار کنترل شارژ در داخل تلفن کنترل می‌شود. همراه با حس‌گرهای دما و ولتاژ، کنترل‌کننده می‌تواند میزان جریان را جهت بهینه‌سازی سرعت شارژ باتری و سلامتی درازمدت باتری، کنترل کند.

شارژ سریع در ولتاژ بالا؟

ممکن است برخی از شما متوجه یک مسئله‌ی واضح شده باشید! اگر باتری‌های لیتیوم-یون دارای ولتاژ معمولی در حدود 3 تا 4.2 ولت باشند، آیا استفاده از شارژرهای ولتاژ بالاتر، خطرناک نیست؟

به‌طورمعمول این مورد یک مشکل خواهد بود اما مدارهای تلفن‌های هوشمند به‌طور خودکار مقدار ولتاژ را پایین آورده و میزان جریان را افزایش می‌دهند. در این حالت مقدار توان همانند قبل است (P = IV) اما مقدار ولتاژ تغییر کرده و در بازه‌ی درست‌تری قرار می‌گیرد. قابل‌ذکر است که کابل‌های fast charging باعث تبدیل ولتاژ AC نمی‌شوند. اگر به پشت شارژر نگاه کنید، می‌توانید نماد کوچک جریان DC را به شکل ⎓ ببینید. USB همیشه یک سیستم تحویل انرژی (power delivery) DC است. مدارهای شارژ سریع با ولتاژ بالا از یک منبع تغذیه‌ی switch-mode با میزان پایین استفاده می‌کنند که با عنوان یک برگرداننده به پایین‌ترین حالت نیز شناخته می‌شود. این مدار، ولتاژ DC سطح بالا را می‌گیرد و آن را به یک ولتاژ DC سطح پایین تبدیل می‌کند. در حالت ایده آل، با توجه به مشخصه‌های پمپ شارژر، مقدار جریان هم افزایش میابد. این کار اساساً سوئیچ ولتاژ ورودی را برای شارژ یک خازن با مقدار زیادی جریان جابجا می‌کند.

ممکن است تصاویر بالا کمی پیچیده به نظر برسند؛ ابتدا به نمودارهای سمت راست توجه کنید. ولتاژ ورودی بالا روشن و خاموش می‌شود تا یک سیگنال PWM از Vin ایجاد شود. این کار، ورود یک جریان پمپاژ بالا را به‌واسطه‌ی القای L به خازن Cout منجر می‌شود. در Load (باتری) ما یک جریان بالا و ولتاژ متوسط رو به پایین (Vout) را می‌بینیم. کاهش میزان ولتاژ 10 ولت (با جریان 1 آمپر) تا ولتاژ 5 ولت، موجب 2 آمپر شدن میزان جریان بعد از مبدل می‌شود. در دنیای واقعی، با وجود این تبدیلات همیشه بخشی از انرژی به‌عنوان گرما از بین می‌رود (البته معمولاً این کار بیش از 90 درصد کارآمد است). منبع تغذیه‌ی Switch-mode به‌طورمعمول انرژی کمتری نسبت به یک تنظیم‌کننده‌ی خطی را هدر می‌دهد.

 دلیل استفاده از ولتاژهای بالاتر

دو دلیل عمده برای استفاده از ولتاژهای بالاتر وجود دارد. اولین دلیل این است که منبع تغذیه‌های switch-mode که کارآمدتر از تنظیم‌کننده‌های خطی هستند، ولتاژ را از طریق اتلاف گرما کاهش می‌دهند. این کار به‌ویژه برای خنک نگه‌داشتن تلفن‌های همراه و باتری‌های آن‌ها بسیار مهم است. دومین دلیل مربوط به از دست دادن توان در کابل‌های USB، به‌خصوص کابل‌های طویل‌تر است. یک مقاومت، مانند طول سیم، نسبت به جریان عبوری از آن، یک ولتاژ را تنظیم می‌کند (قانون اهم: V = IR). انتقال میزان توان مشابه با استفاده از ولتاژ بالاتر و جریان پایین‌تر منجر به از دست دادن مقدار کمتری از میزان انرژی عبوری در طول کابل می‌شود. این دلیل، کارآمدتر است و علت اینکه شبکه‌ی اصلی برق صدها ولت است (و نه 5 ولت)، نیز همین است. لازم به ذکر است که کابل‌ها آسان‌تر و بیشتر از تنظیم‌کننده‌های خطی جریان را محدود می‌کنند. حداکثر برق خروجی به اندازه‌ی سلف، خازن و موج رله ولتاژ و همچنین فرکانس سوئیچینگ علاوه بر توان ترانزیستورها، بستگی دارد. تنها از طریق یک تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ خطی معمولی امکان دستیابی به جریان‌های بسیار بالا فراهم می‌شود. به همین دلیل برخی از فناوری‌های شارژ سریع با ولتاژ کم با مقدار 5 ولت مانند موارد ارائه‌شده توسط Huawei و OPPO، قدرت بیشتری نسبت به نسخه‌های سوئیچینگ با ولتاژ بالا از Qualcomm و Samsung را ارائه می‌دهند.

نمودار بالا نشان می‌دهد که چگونه PumpExpress 3.0 و 4.0 از MediaTek  قادر به رسیدن به جریان شارژ 5 آمپر هستند. اگر یک کابل 5 آمپری متصل شده باشد، فناوری ساخت آن از شارژر سوئیچینگ معمولی عبور می‌کند تا یک جریان بالاتر را فعال کند. در این مورد، مدار ولتاژ موردنیاز در خطوط انتقال داده را عبور می‌دهد و افزایش و کاهش ولتاژ شارژ Vbus را برای حداکثر بهره‌وری نیز انجام می‌دهد.

جمع‌بندی

Fast charging شامل طیف وسیعی از فناوری‌های مختلف ممکن است که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. شرکت‌ها روش‌های خاص خود را برای شارژ سریع و درعین‌حال به حداکثر رساندن طول عمر باتری، به کار می‌گیرند پس به همین دلیل است که استانداردهای مختلفی در بازار وجود دارند. از چندین نسل پیش شارژ با ولتاژ بالا در حال تبدیل به یک قاعده‌ی معمول بود و در حال حاضر فناوری‌های جدید ولتاژهای کنترل‌شده‌ی کمتر و جریان‌های بالا را برای افزایش روزافزون سرعت به کار می‌گیرند. این امر باعث ایجاب کابل‌های ضخیم‌تر شده و درنتیجه یک دردسر جدید در زمینه‌ی سازگاری دستگاه‌ها (compatibility) ایجاد می‌شود. USB Power Delivery در حال حاضر به‌طور گسترده‌ای وجود دارد. احتمالاً این فناوری ستون فقرات تمام استانداردهای شارژ USB را شکل خواهد داد، هرچند دور از ذهن نیست که شرکت‌های مختلف علاوه بر رعایت این استاندارد جهانی، حتی راه‌حل‌های بهتری را نیز در این زمینه خواهند یافت.