Сегодня рядовой смартфон щеголяет фантастическими возможностями. Расстраивает лишь одно — аккумулятор, которого едва хватает на день активной работы! Как и почему эволюционировали источники питания в мобильных телефонах и что представляют собой технологии быстрой зарядки аккумуляторов?

Зарядка смартфонов: позавчера, вчера и сегодня

Батареи в телефонах позавчера, вчера и сегодня

История батарей для телефонов начинается в далеких 1940-х годах, когда в автомобилях полиции города Сент-Луис (штат Миссури, США) появились радиотелефоны. Они питались от автомобильного аккумулятора, одного полного заряда которого хватало примерно на шесть коротких звонков. Заряжался автомобильный аккумулятор от включенного мотора автомобиля. Несколько десятилетий мобильные телефоны оставались дорогим аксессуаром премиальных автомобилей бизнес-класса — электроника той эпохи была настолько требовательна к силе тока, что ни один из компактных аккумуляторов не мог обеспечить необходимое питание.

Так продолжалось до 1973 года, когда появился первый по-настоящему портативный сотовый телефон Motorola, получивший впоследствии имя DynaTAC 8000X. Устройство вышло в продажу только в 1983 году и довольствовалось никель-кадмиевым аккумулятором из шести ячеек общей ёмкостью 500 мА·ч. Одного заряда хватало на 30-40 минут разговора (в зависимости от силы сигнала с базовой станции).

Зарядное устройство для DynaTAC 8000X имело функцию капельной подзарядки — это питание уже заряженной батареи низкими токами для компенсации её саморазряда, чем очень грешат никель-кадмиевые батареи. На восстановление заряда телефона с нуля требовалось 10 часов. Для самых торопливых бизнесменов Motorola предлагала особую быструю зарядку — док-станцию массой 2 кг, которая могла зарядить аккумулятор DynaTAC 8000X всего за час! При этом телефон почти не нагревался, а батарея не деградировала. Так что "быстрая зарядка" телефонов появилась не «вчера».

Пока в первой половине 1990-х мобильники осваивали новые компактные никель-металлогидридные батареи, на рынке аккумуляторов незаметно произошла настоящая революция: в 1991 году Sony выпустила первую литий-ионную батарею, шедшую в комплекте с пленочной видеокамерой CCD-TR1. Литий-ионные аккумуляторы превосходили предшественников по сроку жизни и энергетической плотности. Помимо этого, в них отсутствовал «эффект памяти», что наконец дало покупателям портативной электроники возможность по-новому заряжать свою технику — не дожидаясь полной разрядки батареи и не заряжая её до конца.

С приходом литий-ионных аккумуляторов время работы телефонов в режиме ожидания возросло до дней и даже недель против одного-двух дней ранее. Эпоха «прожорливых» карманных персональных компьютеров (КПК) и тем более смартфонов ещё не пришла, поэтому подзарядка телефона раз в неделю была обычным делом — необходимости в «быстрой» зарядке просто не было. Но прогресс не стоял на месте, и в конце 1990-х годов в продажу поступили литий-полимерные аккумуляторы. Первым телефоном с литий-полимерной батареей стал легендарный Ericsson T28 1999 года выпуска.

Это был не новый тип батарей, а лишь небольшой апгрейд литий-ионных ячеек: жидкий электролит в них заменили на твёрдый или гелеобразный, что увеличило энергетическую плотность. Но повышенная энергоплотность дала возможность делать более тонкие аккумуляторы с прежней ёмкостью. Или более ёмкие в прежних размерах. Ёмкость батарей заметно увеличилась, а вот скорость их зарядки не изменилась. В комплекте со смартфонами чаще всего шли максимально дешёвые ЗУ с выходной мощностью около 5 Вт, которым требовалось до трёх часов на восполнение заряда ёмкого аккумулятора. Даже если пользователи покупали адаптеры с мощностью 10 Вт, контроллер питания смартфонов не всегда соглашался подавать на батарею такую мощность, оставаясь верным безопасному профилю 5 В / 1 А. Необходимость заряжать смартфон в течение мучительно долгих нескольких часов заставила шестерёнки прогресса шевелиться — в начале 2010-х годов производители мобильных устройств активно искали способы быстрой подзарядки аккумуляторов. 

Быстрая зарядка: будущее, которое наступило

В конце ХХ века на зарядку телефона в среднем уходило полтора-два часа, но мобильные телефоны работали на одном заряде по несколько дней. Смартфон с огромной для начала 2010-х годов ёмкостью батареи 2000 мА·ч мог быть посажен «в ноль» меньше чем за день — спасибо требовательным играм, потоковому видео и быстрому мобильному интернету. 

Так называемая «медленная» зарядка через USB по стандарту USB Battery Charging допускает повышение силы тока зарядного устройства до 2 А при напряжении 5 В, но даже два часа на подзарядку большого смартфона — это слишком долго. 

Пожалуй, самый знаменитый блок питания для смартфонов — 5-ваттный зарядник из комплекта iPhone. Из-за малой мощности и проистекающей из этого бесполезности ЗУ со временем перешло в разряд «электронного мусора». В итоге Apple убрала его из комплекта iPhone и Apple Watch. Источник: Apple

В 2012 году был принят стандарт USB Power Delivery, который регламентировал передачу через интерфейс USB напряжения до 20 В и токов до 5 А. Правда, для высоких мощностей требуются высококачественные сертифицированные кабели. На основе спецификаций Power Delivery производители чипов принялись разрабатывать собственные решения для быстрой зарядки смартфонов. Раньше всех это удалось сделать телекоммуникационному гиганту Qualcomm, чей протокол Quick Charge 2.0 стал усовершенствованной версией Power Delivery — в отличие от родительского стандарта, Quick Charge 2.0 работал с любыми кабелями и разъемами Micro-USB 2.0.

Принцип работы Quick Charge 2.0 заключался в поэтапной подаче на аккумулятор повышенного вплоть до 12 В напряжения при постоянном токе до тех пор, пока не зарядится примерно половина батареи. После этого напряжение спадает и скорость зарядки уменьшается, что снижает перегрев смартфона и аккумулятора вместе с ним.

Сейчас актуальна уже пятая версия Quick Charge: Qualcomm обещает зарядить смартфон до 50% за 5 минут и до 100% за 15 минут. Всё потому, что Quick Charge 5.0 предусматривает передачу мощности на смартфон вплоть до 100 Вт. Причём без перегрева аккумулятора — смартфон будет разогреваться не выше чем до 40 °C.

Qualcomm Quick Charge — закрытый лицензируемый стандарт. Он поддерживается только системами-на-чипе Qualcomm Snapdragon, на которых, впрочем, построено порядка 40% современных Android-смартфонов. Также Quick Charge должен поддерживаться зарядным устройством. Добавление Quick Charge в блок питания сказывается на его цене совсем незначительно. Блоки питания с этой технологией обязательно помечаются логотипом с молнией, а сам зарядный порт выделяется цветом.

В Anker PowerPort Speed 5 два разъёма поддерживают Qualcomm Quick Charge — они выделены синим цветом и сопровождаются логотипом технологии (на другом боку ЗУ). Источник: Anker

На основе Quick Charge другими компаниями были разработаны как бы собственные, но полностью совместимые технологии быстрой зарядки: Motorola TurboPower, Xiaomi Mi Fast Charging, Samsung Adaptive Fast Charging, Asus BoostMaster и Vivo Dual-Engine Fast Charging. По сути, они ничем не отличаются от Quick Charge кроме имён, и потому прекрасно работают в паре с блоками питания с поддержкой Quick Charge. 

В противовес зарядке повышенным напряжением право на жизнь заслужил и другой подход — зарядка аккумуляторов повышенными токами при обычном напряжении в 5 В. По этому пути, например, пошла китайская BBK Electronics, которой принадлежит бренд OPPO. Технология VOOC (Voltage Open Loop Multi-step Constant-Current Charging) подаёт на смартфон стандартное для USB напряжение 5 В, но с током не менее 4,0 А. Третья версия VOOC принесла поддержку токов до 5,0 А, а четвёртая версия — до 6,0 А. VOOC под другими именами пришла в смартфоны других брендов BBK Electronics: OnePlus Dash Charge, Vivo Super FlashCharge и Realme Dart Charge. 

Маленькие зарядные устройства на 5 Вт из комплекта iPhone за ненадобностью часто даже не вынимают из коробки. Anker PowerPort III Nano при схожих размерах заряжает iPhone с максимальной для него мощностью 18 Вт.  Источник: Anker

VOOC и её аналоги работают в паре со специальными аккумуляторами, поделенными на секторы. Батарея с поддержкой этой технологии несёт восемь контактных площадок, через которые параллельно ведётся зарядка нескольких секторов одной батареи.

Так как напряжение заряда через VOOC стандартное, телефону нет нужды снижать его для подачи на аккумулятор, а значит контроллер не будет заниматься понижением, выделяя вредное для батареи тепло. То есть с точки зрения здоровья аккумулятора VOOC более безопасна, чем Quick Charge. Ещё одним преимуществом оказалось то, что при использовании смартфона во время зарядки по VOOC он не перегревается. А вот аппараты с Quick Charge до версии 5.0 лучше не использовать во время подзарядки, иначе смартфоны начинают греться и контроллер питания в целях безопасности снижает напряжение и замедляет зарядку.

VOOC выглядел слишком хорошо до тех пор, пока пользователь не узнавал, что для работы технологии необходим специальный кабель с более толстыми жилами для передачи высоких токов и дополнительным сигнальным контактом на коннекторе. 

Anker PowerIQ — один стандарт, чтоб править всеми

Как вы понимаете, комплектные зарядные устройства к смартфонам всегда поддерживают одну технологию быстрой зарядки (ну, и её «копии»). Если вы являетесь счастливым обладателем гаджетов от разных компаний, например, Apple iPad Pro с Power Delivery, Samsung GALAXY S9 с Adaptive Fast Charging, то зарядка от одного гаджета будет заряжать другой гаджет в медленном режиме. 

Для «зоопарка» устройств от разных брендов полезно купить один универсальный адаптер с несколькими выходами для одновременной зарядки всех гаджетов — такой, чтобы зарядное устройство понимало, с каким стандартом быстрой зарядки работает подключенный гаджет, и начинало зарядку согласно этому стандарту. 

А вот вам памятка. В этой таблице собраны спецификации самых популярных технологий быстрой зарядки смартфонов в сравнении со всеми версиями USB. 

Во всех зарядках Anker за это отвечает технология Anker PowerIQ. Например, Anker PowerPort Atom III имеет выходы USB-C и USB-A, каждый из которых отмечен значком PowerIQ 3.0 и PowerIQ 2.0 соответственно. К этим выходам можно подключать смартфоны, планшеты и даже ноутбуки с поддержкой USB Power Delivery, Qualcomm Quick Charge и их аналогами — во всех случаях адаптер выберет максимально допустимый режим питания, будь то 5 В / 2,4 А, 9 В / 2 А или даже 12 В / 1,5 А.   

Незаменимым помощником в таком случае может стать Anker Powerport III Nano 20W. Это самое тонкое и лёгкое зарядное устройство в линейке Anker. Новинка подойдёт практически к любому устройству Apple и Android и избавит от необходимости иметь персональное ЗУ для каждого гаджета. Оно оснащено одним единственным портом USB-C, способным выдавать до 20 Вт энергии с использованием стандарта Power Delivery. Инженеры Anker Innovations уместили 20 Вт в адаптер размером 2,74 х 3,00 см, что сопоставимо с размером 5 рублевой монеты.

В каждом зарядном устройстве Anker с технологией PowerIQ есть чип, который связывается с подключенным гаджетом и выбирает наиболее эффективный для него протокол питания. Например, PowerIQ 3.0 работает с Power Delivery, Quick Charge и Apple Fast Charging. При подключении смартфона чип PowerIQ отправляет команды, которыми предлагает смартфону по очереди поддерживаемые протоколы питания. Если смартфон отвечаёт, что может работать с Power Delivery или Quick Charge, зарядное устройство Anker передаёт данные о поддерживаемом выходном напряжении и токе. Смартфон выберет из предложенных оптимальный для себя режим питания и отправит команду об этом в зарядное устройство. После этого ЗУ Anker будет регулировать напряжение в соответствии с выбранным профилем, а смартфон — потреблять ток в соответствии с протоколом.

По материалам Сети