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 ۰.۵ آمپر (A) با استفاده از ولتاژ ۵ ولت (V) فقط برای توان ۲.۵ وات (W) ارسال می‌شود. فناوری Fast Charging این ارقام را افزایش می‌دهد. قابلیت‌های ۱۰V/4A SuperCharge2.0 در هوآوی به میزان ۴۰ وات و ۹V/1.7A Adaptive Fast Charging در سامسونگ به میزان ۱۵ 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.
شارژ سریع چیست؟
شارژ سریع اصطلاحی است که اغلب برای بازاریابی شارژرها و دستگاه‌هایی که قادر هستند سرعتی بیشتر از استاندارد فعلی شارژ ارائه دهند، استفاده می‌شود. در واقغ شارژ سریع، نوعی فناوری شارژ باتری است که با افزایش مقدار نیرویی که از شارژر به باتری ارسال می‌شود، مدت زمان موردنیاز برای شارژ کامل دستگاه را کاهش می‌دهد. یک پورت USB معمولی با توان ۲٫۵ وات، انرژی الکتریکی را به دستگاه انتقال می‌دهد و درمقابل نیز برخی شارژرهای سریع می‌توانند حتی تا ۱۰۰ وات نیز خروجی داشته باشند. توجه کنید که همه گوشی‌ها از قابلیت شارژ سریع پشتیبانی نمی‌کنند و درصورت بهره‌مندی از ابن قابلیت نیز به شارژر و کابلی مطابق با استانداردهای شارژ سریع آن نیاز خواهند داشت. درواقع استفاده از استاندارد شارژ سریع ناسازگار با استاندارد گوشی کارساز نخواهد بود و نتیجه موردنظر را ارائه نخواهد کرد. درحال‌حاضر شارژ سریع کوالکام، فناوری شارژ سریع غالب در بازار است که در اکثر گوشی‌های هوشمند نیز به کار می‌رود؛ اما استانداردهای شارژ سریع دیگری مانند Power Delivery (مخفف PD) نیز وجود دارند که هرکدام علاوه بر محدودیت‌ها، ناسازگاری‌هایی هم با برخی دستگاه‌ها دارند.
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 ۴.۰+ 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 … .
فرایند شارژ و تخلیه باتری
تمامی گجت‌هایی که به باتری مجهز هستند، روش انتقال انرژی مشابهی دارند؛ باتری‌های این گجت‌ها با عبور جریان شارژ می‌شوند و محدودیتی در میزان جریان و ولتاژ ورودی وجود ندارد. در این بین، مدار کنترلی (IC) نیز وجود دارد که به حسگرهای ولتاژ و حرارت مجهز است و با تنظیم مقدار ولتاژ و جریان ورودی به باتری، از باتری درمقابل افزایش‌های ناگهانی جریان محافظت می‌کند و باعث طولانی‌تر‌شدن عمر آن می‌شود. سلول‌های باتری‌ها از دو الکترود (مثبت و منفی) و الکترولیت تشکیل شده‌اند و یون‌های حاصل از واکنش‌های شیمیایی درون الکترولیت، جریان الکتریکی موردنیاز را تأمین میکنند.
در باتری‌های غیرقابل شارژ یونی، واکنش‌های شیمیایی الکترود‌ها تنها یک بار رخ می‌دهند؛ اما در باتری‌های قابل شارژ لیتیوم-یونی (که در گوشی‌های امروزی به کار می‌روند) این واکنش‌ها برگشت‌پذیر هستند: هنگامی‌که شارژ باتری تخلیه می‌شود، واکنش‌های شیمیایی، الکتریسیته تولید کرده و هنگامی‌که باتری شارژ می‌شود، انرژی جذب میکنند.
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 ۲ ولت به حداکثر مقدار خود و تا حدود ۴.۲ 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 ۵۰ یا ۶۰ درصد، بالا است اما بعد از آن کمی کند می‌شود.
همان‌طور که در نمودار بالا می‌بینید، شارژ باتری در دو مرحله اتفاق می‌افتد:
- افزایش ولتاژ / جریان ثابت
- 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 ۵۰ درصد کامل است، فناوری‌های Fast charging کارآمد هستند، اما وقتی میزان شارژ باتری از مقدار ۸۰ 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.
لوازم موردنیاز برای فست شارژینگ
برای استفاده از استانداردهای شارژ سریع به موارد زیر نیاز خواهید داشت:
شارژر: برای شارژ سریع به شارژری نیاز دارید که از استاندار شارژ سریع پشتیبانی کند؛ شارژری با خروجی ولتاژ یا جریان پایین به کندی گوشی را شارژ می‌کند. برای اطلاع از خروجی شارژر، کافی است تا نوشته روی آداپتور را بخوانید. برای مثال، اگر روی آداپتور، ولتاژ ۵ ولت و آمپراژ ۳ آمپر قید شده باشد، خروجی کل آن برابر با ۱۵ وات خواهد بود. (W=VxA).
کابل: نوع کابل و کانکتور USB استفاده شده نیز می‌تواند روی سرعت شارژ تأثیرگذار باشد. USB 1.0 و USB 2.0 می‌تواند تا ۲٫۵ وات انرژی الکتریکی را انتقال دهند که برابر با نرخ شارژ معمولی با شارژ آهسته است. USB 3.0 می‌تواند ۴٫۵ وات برق ارائه دهد، درحالی‌که USB-C که با استاندارد ۳.۱ می‌تواند تا ۱۰۰ وات انرژی الکتریکی را انتقال دهد.
گوشی سازگار با شارژ سریع: اگر گوشی شما از فناوری شارژ سریع بهره‌مند نباشد، نمی‌تواند از این استاندارد پشتیبانی کند. حتی اگر شارژری سریع با کابل مناسب داشته باشید، نمی‌توانید گوشی که از شارژ سریع پشتیبانی نمی‌کند را با سرعتی بیشتر از معمول شارژ کنید. برای دانستن حداکثر سرعت شارژی که هر گوشی می‌تواند پشتیبانی کند، کافی است مشخصات باتری و شارژ آن را از داخل تنظیمات خود گوشی بررسی کنید.
شارژ دستگاه‌ها با کابل‌های USB
امروزه تقریباً تمام دستگاه‌های قابل شارژ به پورت USB برای شارژ مجهز هستند، تا قبل از معرفی این پورت، شارژها بیشتر از نوع سوزنی یا سوکتی ساخته می‌شدند؛ اما حالا دیگر کابل‌های USB به استانداردی واحد برای شارژ تبدیل شده‌اند که همه جا به‌راحتی پیدا می‌شوند و همینطور از قابلیت USB Power Delivery بهره می‌برد که در شارژ سریع کاربرد دارد.
پورت‌های USB به ۴ استاندارد ۱.۰، ۲.۰، ۳.۰ و ۳.۱ تقسیم می‌شوند که اولی و دومی می‌توانند تا ۵V/0.5A یا همان ۲٫۵ وات انرژی را انتقال دهند و گوشی‌های عادی نیز با همین نرخ شارژ می‌شوند. پورت‌های USB 3.0 حدود ۴٫۵ وات (۵V/0.9A) خروجی دارند و سپس به پورت USB-C یا همان USB 3.1 می‌رسیم که به‌طور بالقوه می‌تواند ولتاژ بسیار بالاتری را انتقال دهد.
بسیاری از دستگاه‌هایی که به پورت USB 3.1 مجهز هستند، می‌توانند از استاندارد USB Power Delivery یا همان USB-PD برای شارژ سریع استفاده کنند که توان خروجی نهایی ۲۰V/5A یا ۱۰۰ وات را دارد. البته گوشی‌ها معمولاً به چنین توانی احتیاج ندارند و می‌توان از آن برای شارژ سریع لپ‌تاپ‌های مجهز به پورت USB-C استفاده کرد.
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 ۵ 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 ۵ 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 ۴.۰ از MediaTek قادر به رسیدن به جریان شارژ ۵ آمپر هستند. اگر یک کابل ۵ 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.
