От 0 до 100% за 15 минут. Стандарты, особенности и проблемы технологий быстрой зарядки

На сегодняшний день нам доступен широкий спектр протоколов зарядки, разрабатываемых и продвигаемых разными компаниями и организациями. По возможности попробуем придерживаться хронологии.

Обычный USB

USB допускает ток не более 500 мА при напряжении 5 В. Лишь много позднее, с выходом спецификации USB 3.0, максимальный ток был поднят до 900 мА. Обычным кнопочным телефонам, которые стали выходить не с собственными разъемами для заряда, а со штекерами mini-, а потом и microUSB, вполне хватало небольшой мощности.

Все изменилось с выходом смартфонов, емкость аккумуляторов которых в разы превышала относительно небольшую емкость батарей кнопочных телефонов. Даже небольшие по современным меркам аккумуляторы с емкостью 1500 мА ∙ ч уже хотелось заряжать быстрее, чем за 4–4,5 ч (время с учетом потерь при зарядке и естественного замедления скорости заряда после 80%). Возникла необходимость каким-то образом передать больший ток заряда по стандартному кабелю, при этом не спалив случайно контроллер USB, если устройство подключат к компьютеру.

USB Battery Charging Revision 1.2 (BC1.2)

Этот стандарт был принят в далеком 2011 году и позволял ранним устройствам заряжаться от разъемов USB силой тока до 1,5 А при напряжении 5 В. Стандарт принят организацией USB-IF, поэтому его использование для производителей бесплатно. По современным меркам он весьма примитивен: тип зарядного устройства определяется по напряжению на контактах D+ и D-.

Ссылки:

• USB battery charging: it’s harder than it looks
• USB Battery Charging 1.2 Compliance Plan

Qualcomm Quick Charge 1.0

Был обнародован компанией Qualcomm в 2013 году с чипсетами Snapdragon 600 (и, кстати, используется до сих пор в младших чипсетах, например Snapdragon 400). Здесь максимальный ток подняли до 2 А. Механизм определения зарядного устройства стал значительно умнее, поэтому шансов получить нужный ток заряда у устройств, использующих QC 1.0, стало больше.

Ссылки:

• Qualcomm Quick Charge 1.0 Battery Charger ICs
• Qualcomm Quick Charge 1.0: Less Time Charging, More Time Doing

Стандарты Apple и Samsung

Примерно в то же время Samsung и Apple параллельно разработали свои собственные схемы определения «правильных» зарядных устройств. Так, у Apple появились устройства класса Apple 1.0A (позднее к ним добавились Apple 2.1A), которые определяли наличие зарядного устройства соответствующей мощности собственным, несовместимым со спецификацией USB-IF способом. Похожая и несовместимая схема была и у Samsung.

Первые универсальные зарядники

Со временем производители зарядных устройств стали делать попытки как-то стандартизировать протоколы. К примеру, вот этот монстр-осьминог предлагал пять независимых выходов, один из которых мог успешно заряжать iPhone по стандарту Apple 1A, второй — iPad по стандарту Apple 2.1A, третий — планшеты Samsung, а два других — все остальные устройства, совместимые со спецификацией USB-IF.

Множество разъемов, есть где запутаться

Ужасно, правда? Мало того что зоопарк коннекторов, нам еще и предлагается выбирать «правильный» порт, в который его воткнуть.

Также существовали вот такие адаптеры.

Уверен, ты подобное не застал, но в нашей лаборатории экземпляр имеется. В первых поколениях адаптеров просто-напросто замыкались контакты Data, что давало совместимость только с USB-IF (и заодно — с Quick Charge 1.0); в последующих версиях использовался чип, который пытался определить, какое именно устройство подключено, и выполнял необходимые действия, чтобы подключенный телефон или планшет распознал «быструю» зарядку.

Наконец, примерно три года назад начали появляться зарядные устройства со встроенной логикой определения нагрузки. Разнообразные системы IQ, AIQ и им подобные выполняют единственную функцию: определить, какое устройство заряжается — Apple (1A, 2.1A), Samsung или соответствующее стандарту USB-IF, и сообщить устройству, что оно подключено именно к зарядному устройству, а не к компьютеру. Сегодня большинство более-менее качественных блоков питания от независимых производителей оборудовано подобной схемой.

Правда, бардак? А ведь мы еще даже не начали говорить о стандартах «быстрой» зарядки в их современном понимании. Поверь, дальше будет хуже!

Qualcomm Quick Charge 2.0

Был анонсирован в 2013 году, но впервые использовался в устройствах на Snapdragon 800 начиная с 2014 года. Этот стандарт оказался долгожителем, пережив два поколения процессоров компании Qualcomm: Snapdragon 800 (801, 805) и Snapdragon 808, 810.

Принципиальное отличие QC 2.0 от всех ранее существовавших стандартов — использование различных комбинаций напряжения и силы тока из ряда 5, 9, 12 В и 2 и 1,67 А. Обрати внимание: если сила тока может варьироваться в процессе заряда, то напряжение может выбираться только из фиксированного списка значений 5, 9 или 12 В. К этому мы еще вернемся, когда будем рассматривать стандарт следующего поколения — QC 3.0.

Для чего вообще потребовалось поднимать напряжение, а не силу тока? Ключевой момент здесь — совместимость с огромным парком существующих аксессуаров, кабелей и зарядных устройств. Дело в том, что на момент выхода спецификации QC 2.0 все еще использовался физический формат разъемов USB-A на одном конце и microUSB на другом. Их спецификация не подразумевает передачу тока, превышающего 2,4 А при напряжении 5 В. Как известно, тепловые потери в проводах растут пропорционально току и квадрату сопротивления. Повышение силы тока при неизменном напряжении 5 В могло привести к опасному нагреву в области разъемов, избыточным тепловым потерям в самом кабеле, перегреву и потенциальному выходу из строя зарядных портов — и непременно привело бы, если бы пользователь брал для зарядки не комплектный кабель или ЗУ с фиксированным проводом, а другой, случайный шнурок. Повышение напряжения позволило одним махом снять проблему совместимости с существующими проводами: теперь максимальный ток ни при каких обстоятельствах не превышал значения 2,4 А, фактически ограничиваясь значением 2 А.

Впервые вместо ненадежного аналогового метода определения зарядного устройства был использован метод цифровой коммуникации (ведь обидно было бы сжечь контроллер заряда случайно попавшим на него напряжением в 12 В). В целом использование комбинации из планшета/телефона с QC 2.0 и соответствующего зарядного устройства давало неплохую гарантию, что зарядка пойдет именно по быстрому протоколу.

INFO

Кстати, максимальный ток подается по стандарту только в самом начале зарядки, когда аккумулятор пуст или практически пуст. С повышением уровня заряда снижается подаваемая на аккумулятор мощность, а на уровне примерно 80% скорость заряда зачастую и вовсе неотличима от зарядки от «компьютерного» порта. Телефон очень быстро набирает первые 40–50% заряда, после чего скорость зарядки постепенно замедляется, и последние единицы процентов могут набираться почти столько же времени, сколько первые 50.

С таким резким скачком в мощности и скорости зарядки (здесь достижимы 18 Вт) возникла другая проблема: аккумуляторы при зарядке стали перегреваться, и химия батарейки начинала деградировать, что со временем приводило к снижению ее ресурса. Да, в стандарте были заложены «безопасные» значения температур, но максимальная скорость зарядки была в те годы таким значительным маркетинговым преимуществом, что о сроке жизни аккумуляторов (которые все чаще становились несъемными) производители предпочитали если даже и задумываться, то не говорить покупателям.

Ситуация стала еще хуже с выходом «горячего» поколения процессоров Snapdragon 808 и 810, одновременно с которыми в отдельных моделях появились разъемы USB-C. Поскольку Android склонен к выполнению отложенных задач (например, пакетному обновлению установленных приложений) именно при подключении зарядки, перегрев процессора совместно с перегревом аккумулятора приводили к печальным последствиям: процессоры в буквальном смысле отпаивались от материнских плат, а аккумуляторы выходили из строя быстрее, чем заканчивался гарантийный срок. Яркий пример — коллективный иск к компании LG (массовый выход из строя устройств LG G4, G Flex 2, Nexus 5X).

Еще одна проблема: массовое появление устройств с разъемами USB-C в 2015 году совпало по времени с выходом ряда устройств на чипсетах поколения Qualcomm 808/810. Новый стандарт фиксировал для производителей кабелей более жесткие требования к пропускаемому току. Так, у кабеля с разъемами USB-C на обоих концах, если он сделан без нарушений спецификации, не должно быть проблем с передачей тока в 3 А. Но компьютеров и зарядных устройств, оборудованных разъемами USB-C, на рынке в тот момент в достаточном количестве просто не было, и подавляющее большинство производителей укомплектовывало смартфоны обычной USB-зарядкой с разъемом USB-A и кабелем со стандартным «большим» разъемом USB-A с одной стороны и USB-C — с другой.

При использовании подобных кабелей с медленной зарядкой проблем не возникало. Их использование с зарядками стандарта Quick Charge 2.0 также не вызывало никаких неприятностей — в конце концов, QC 2.0 создавался с оглядкой на совместимость. Проблемы — и проблемы серьезные — стали возникать тогда, когда на рынок вышел ряд моделей, использующих альтернативный стандарт быстрой зарядки, основанный на открытой спецификации USB-IF для USB Type-C 1.2.

Huawei Fast Charge Protocol (FCP)

FCP — собственная разработка компании Huawei, которая должна была конкурировать с Quick Charge 2.0, заряжая смартфоны напряжением 5 или 9 В с силой тока 2 А. Оборудованные ей телефоны, как правило, включали и поддержку QC 2.0, что позволяло использовать многочисленные зарядные устройства, совместимые с этой технологией. Поскольку Huawei не лицензировала свою технологию другим производителям, известно о ней немного и ценность ее сомнительна. Зато — собственная разработка, как и процессоры Kirin.

USB Type-C 1.2

Спецификация USB Type-C 1.2, допускает передачу тока до 3 А при неизменном напряжении 5 В. В первом поколении смартфонов (Microsoft Lumia 950, 950XL, Google Nexus 5X, 6P), да и в большинстве современных, за редкими исключениями, используется именно эта спецификация, а не новый (более сложный, но обратно совместимый) стандарт USB Power Delivery.

Новый открытый стандарт быстрой зарядки прост и очевиден. Его реализация не требует от производителей больших усилий, использования проприетарных контроллеров заряда или каких-либо лицензионных отчислений (стандарт от USB-IF полностью бесплатен для производителей). Казалось бы, бери и пользуйся!

Без подводных камней не обошлось. Даже для такой относительно скромной мощности в 15 Вт требовались новые кабели и зарядные устройства, способные без проблем, потерь и перегрева выдерживать повышенный ток заряда. И тут оказалось, что если зарядные устройства, способные корректно и с полным соответствием спецификации USB-IF выдавать ток в 3 А, могут собрать многие производители, то безопасные шнурки, полностью соответствующие стандарту, — вещь почти мифическая, для среднего китайского производителя недостижимая. Проблема настолько необычная, возникшая буквально на ровном месте, что мы выделим ее в особый раздел.

Проблема с кабелями USB-C

В случае с проводами USB-A → miniUSB все было достаточно просто: провода, разъемы, изоляция. Да, можно было сэкономить на сечении проводников, и тогда устройства заряжались чуть медленнее (в особо тяжелых случаях — заметно медленнее), но большой катастрофы в любом случае не происходило.

Все изменилось с выходом стандарта USB Type-C и появлением кабелей с соответствующими штекерами. Более-менее сразу производители научились делать простейшие кабели, соответствующие спецификации USB 2.0, с разъемами USB-C на обоих концах кабеля.

Намного сложнее оказалось сделать кабели, оборудованные физическим разъемом USB Type-C и соответствующие спецификациям USB 3.0, и практически невозможным для независимых китайских производителей стал выпуск шнурков, корректно идентифицируемых с помощью микросхем электронного маркера (e-marker chip). Вот детальный разбор одного из таких кабелей (поверь, достаточно типичного).

Продолжение доступно только участникам

Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее

-60% 1 год 9990 рублей 4000 р.

1 месяц 920 р.

Вариант 2. Открой один материал

Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя! Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.

Я уже участник «Xakep.ru»