Contenuto

• Spiegazione degli standard di ricarica rapida
• USB Power Delivery
• Ricarica rapida Qualcomm
• Altri standard
• Come caricare velocemente una batteria agli ioni di litio
• Ricarica rapida ad alta tensione?
• Perché usare tensioni più elevate?
• Incartare
• Relazionato

La ricarica rapida è una funzione indispensabile nei telefoni di oggi. Mantiene le nostre batterie ricaricate in giornate impegnative. Tuttavia, esistono diversi standard diversi di diverse società. Alcuni funzionano solo con cavi e caricabatterie specifici, mentre altri utilizzano tensioni più elevate. Tutto può diventare un po 'confuso, quindi siamo qui per dargli un senso.

In breve, la ricarica rapida aumenta la corrente inviata alla batteria per riempire più rapidamente la sua capacità. Le specifiche USB di base inviano solo 0,5 A (A) di corrente utilizzando 5 volt (V) per soli 2,5 Watt (W). Le tecnologie di ricarica rapida aumentano queste cifre. La SuperCharge 10V / 4A di Huawei produce 40W e l'ultima ricarica adattiva veloce di Samsung produce 15W di succo. Alcune aziende cinesi vantano persino tecnologie di ricarica che possono raggiungere i 100W. Tutti i servizi di ricarica rapida condividono un tema comune: maggiore potenza.

Questa è solo la panoramica di base. Il modo in cui una batteria si carica effettivamente è più complicato. Prima di arrivare a questo, esaminiamo le differenze tra tutti questi standard di ricarica rapida in modo più dettagliato.

Spiegazione degli standard di ricarica rapida

USB Power Delivery

USB Power Delivery (USB-PD) è la specifica ufficiale di ricarica rapida pubblicata da USB-IF nel 2012. Lo standard può essere utilizzato da qualsiasi dispositivo con una porta USB, a condizione che il produttore includa i circuiti e il software necessari. Proprio come tutti gli standard di ricarica rapida, USB-PD implementa un protocollo dati per comunicare tra il caricabatterie e il telefono. In questo modo viene negoziata la massima potenza tollerabile sia per il caricabatterie che per il portatile.

USB Power Delivery aumenta le velocità di ricarica USB di base fino a 100 W di potenza in uscita. La quantità di energia disponibile è suddivisa in diverse potenze, che funzionano a diverse tensioni. Le modalità 7.5W + e 15W + sono le migliori per i telefoni, mentre 27W e superiori sono per i laptop e altri dispositivi di potenza superiore. Lo standard supporta anche l'alimentazione bidirezionale, consentendo al telefono di caricare altre periferiche.

La serie Pixel di Google utilizza le specifiche ufficiali Power Delivery e la tecnologia è supportata nella stragrande maggioranza degli smartphone di punta oggi. Apple implementa anche lo standard in iPhone 8, iPhone X, iPhone XS e MacBook più recenti. Tuttavia, molte aziende preferiscono i propri standard di ricarica proprietari pronti all'uso.

Ricarica rapida Qualcomm

La tecnologia Quick Charge proprietaria di Qualcomm era una volta lo standard predefinito nel settore degli smartphone, poiché si diffondeva rapidamente nella ricarica prima della consegna di energia USB. L'ultima revisione 4.0+ di Quick Charge è compatibile con Power Delivery, consentendo velocità di ricarica più elevate e una gamma più ampia di supporto.

Quick Charge è una funzione opzionale disponibile con i processori Snapdragon di Qualcomm. Quindi, solo perché un telefono ha un chip Qualcomm non significa che sia compatibile con Quick Charge. Tuttavia, un'ampia gamma di telefoni vanta il supporto Quick Charge, tra cui LG V40, Xiaomi Mi 9, Samsung Galaxy Note 9, HTC U12 Plus e molti altri. C'è anche un vasto ecosistema di caricabatterie legacy e accessori di terze parti, a causa della popolarità dello standard.

Altri standard

Nell'ecosistema smartphone, molti modelli utilizzano tecnologie interne anziché gli standard più onnipresenti di cui sopra. Tuttavia, solo alcuni di questi standard sono veramente proprietari. Molti sono semplicemente Power Delivery o Quick Charge riconfezionati con un marchio diverso o presentano alcune modifiche specifiche alla tecnologia: le tecnologie Adaptive Charging di Samsung e Motorola Turbo Charging vengono in mente.

Altri come il VOOC di Oppo e il SuperCharge di Huawei funzionano in modo abbastanza diverso. Questi aumentano notevolmente la quantità di corrente per la ricarica ad alta potenza piuttosto che aumentare la tensione. Le velocità di ricarica di queste tecnologie proprietarie sono notevolmente aumentate nel corso degli anni, con SuperCharge, Super VOCC e WarpCharge 30 di OnePlus tra i più veloci sul mercato. Ecco come alcune delle tecnologie più comuni si accumulano fianco a fianco.

È possibile supportare più standard o almeno garantire un certo livello di compatibilità con diversi metodi di ricarica rapida. Sfortunatamente, questo porta a molta imprevedibilità circa le esatte velocità di ricarica che riceverai quando utilizzi telefoni con caricabatterie diversi e persino cavi diversi.

Dopo aver testato diversi telefoni, abbiamo riscontrato un'ampia variazione nella quantità di energia trattata da ciascun telefono, a seconda del caricabatterie e del cavo utilizzati. I risultati migliori si ottengono in genere utilizzando il cavo e il caricatore forniti nella confezione del telefono.

Come caricare velocemente una batteria agli ioni di litio

Ora che abbiamo coperto gli standard, approfondiamo la velocità con cui la ricarica accelera effettivamente il ciclo di ricarica della batteria. Le batterie agli ioni di litio utilizzate all'interno di smartphone e altri gadget elettronici non si caricano in modo lineare. Il ciclo di ricarica è suddiviso in due fasi distinte.

Il primo è la tensione crescente, o fase di corrente costante. La tensione della batteria aumenta costantemente da un minimo di 2 V fino al suo picco di circa 4,2 V mentre si carica. Questo varia a seconda della batteria esatta. La batteria assorbe la corrente di picco più alta durante questa fase, che rimane costante fino al picco della tensione della batteria.

La tensione diventa quindi costante e la corrente inizia a cadere. Le batterie che si caricano oltre questo punto assorbono meno corrente e quindi si caricano più lentamente. Ecco perché il primo 50 o 60 percento del tuo telefono si carica molto più velocemente.

La carica della batteria avviene in due fasi. Tensione in aumento / corrente costante e tensione costante / corrente in calo. La prima fase è adatta per la ricarica rapida ad alta corrente.

Le tecnologie di ricarica rapida sfruttano la fase corrente costante. Pompare quanta più corrente possibile nella batteria prima che raggiunga la sua tensione di picco. Pertanto, le tecnologie di ricarica rapida sono più efficaci quando la batteria è piena per meno del 50 percento, ma hanno poco o nessun effetto quando si passa all'80 percento. Per inciso, la carica di corrente costante è il periodo meno dannoso per la salute a lungo termine della batteria. Una tensione costante più elevata, insieme al calore, è dannosa per la durata della batteria.

Infine, la quantità di tensione e corrente trasmessa alla batteria viene controllata tramite un circuito del regolatore di carica all'interno del telefono. Insieme ai sensori di temperatura e tensione, il controller può gestire la quantità di corrente per ottimizzare la velocità di carica della batteria e la salute a lungo termine.

Ricarica rapida ad alta tensione?

Alcuni di voi potrebbero aver individuato un problema apparente qui. Se le batterie agli ioni di litio hanno una tensione tipica compresa tra 3 e 4,2 V, non è pericoloso utilizzare caricabatterie con tensione più elevata?

Normalmente questo sarebbe il caso, ma i circuiti dello smartphone riducono la tensione e si accendono. Ciò mantiene la stessa quantità di potenza trasferita allo stesso modo (P = IV), ma sposta la tensione nell'intervallo corretto. E no, i cavi di ricarica rapida non eseguono la conversione della tensione CA. Se guardi sul retro del caricabatterie, sarai in grado di individuare la piccola icona di corrente CC tratteggiata ⎓. USB è sempre un sistema di erogazione dell'alimentazione CC.

I circuiti di ricarica rapida ad alta tensione utilizzano un alimentatore step-down in modalità switch, noto anche come buck buck inverter. Questo circuito prende un'alta tensione CC e la converte in una tensione CC inferiore. Idealmente, moltiplica anche la corrente per la quantità inversa grazie alle sue caratteristiche di "pompa di carica". È essenzialmente un interruttore che attiva e disattiva la tensione di ingresso per caricare un condensatore con molta corrente.

Sembra complicato, ma segui i grafici a destra. L'alta tensione di ingresso si accende e si spegne per creare un segnale PWM da Vin. Ciò induce un'elevata corrente di "pompaggio" attraverso l'induttore L nel condensatore Cout. Al carico (batteria) vediamo una corrente elevata e una bassa tensione media (Vout).

Scendendo da 10 V / 1 A a 5 V si ottiene idealmente una corrente di 2 A dopo il convertitore. Nel mondo reale, c'è sempre qualche perdita associata a queste conversioni (in genere hanno un'efficienza superiore al 90%), dissipata come calore. Gli alimentatori a commutazione in genere sprecano anche meno energia di un regolatore lineare.

Perché usare tensioni più elevate?

Esistono due motivi principali per utilizzare tensioni più elevate. Innanzitutto, gli alimentatori a commutazione sono più efficienti dei regolatori lineari che riducono le tensioni tramite dissipazione del calore. Ciò è particolarmente importante per mantenere freschi i nostri telefoni e le loro batterie.

Il secondo riguarda la perdita di potenza sui cavi USB, in particolare quelli più lunghi. Un resistore, come una lunghezza di filo, fa cadere una tensione in base alla corrente che lo attraversa (legge di Ohm V = IR). Trasmettere la stessa potenza usando una tensione più alta e una corrente più bassa perde meno energia sulla lunghezza del cavo. Questo è più efficiente e perché la rete elettrica principale è di centinaia di volt e non 5V.

Tuttavia, il compromesso è che i convertitori buck sono più facilmente limitati dalla corrente rispetto ai regolatori lineari. La massima potenza di uscita dipende dalle dimensioni dell'induttore, dal condensatore e dall'ondulazione di tensione, nonché dalla frequenza di commutazione, oltre alle capacità di alimentazione dei transistor. È possibile raggiungere correnti molto elevate solo tramite un regolatore di tensione lineare più tradizionale. Questo è il motivo per cui alcune delle tecnologie di ricarica rapida a 5 V a bassa tensione, come quelle di Huawei e OPPO, offrono più potenza totale rispetto alle versioni a commutazione di tensione più elevate di Qualcomm e Samsung.

L'ultima tecnologia Pump Express di MediaTek si rivolge sia alla modalità switch che alla ricarica del regolatore lineare.

Il diagramma sopra mostra come PumpExpress 3.0 e 4.0 di MediaTek riescono a raggiungere fino a 5A di corrente di carica. Se è collegato un cavo da 5A, la sua tecnologia ignora il caricabatterie di commutazione convenzionale per consentire una corrente più elevata. In questo caso, il circuito negozia la tensione richiesta sulle linee dati, aumentando e abbassando la tensione di carica Vbus per la massima efficienza.

Incartare

La ricarica rapida comprende una gamma di diverse tecnologie possibili, ognuna con i propri pro e contro. Questo è in parte il motivo per cui ci sono così tanti standard diversi sul mercato, poiché le aziende adottano i propri approcci per accelerare la ricarica e massimizzare la durata della batteria.

Alcune generazioni fa, la ricarica ad alta tensione stava diventando la norma e ora le tecnologie stanno implementando tensioni controllate più basse e correnti elevate per aumentare ulteriormente le velocità. Tuttavia, ciò richiede cavi più spessi e aggiunge un altro mal di testa di compatibilità.

USB Power Delivery è già ampiamente adottato. Probabilmente costituirà la spina dorsale di tutti gli standard di ricarica USB in futuro, anche se probabilmente vedremo le aziende sperimentare con le proprie soluzioni ancora più veloci oltre a supportare questo standard universale.

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