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急速充電は、今日の携帯電話の必須機能です。忙しい日でもバッテリーを充電し続けます。ただし、さまざまな企業からのさまざまな標準があります。特定のケーブルと充電器でのみ機能するものもあれば、より高い電圧を使用するものもあります。すべて少し混乱する可能性があるので、ここで理解してください。
簡単に言えば、急速充電はバッテリーに送られる電流を増加させて、容量をより早く使い果たします。基本的なUSB仕様は、わずか2.5ワット（W）で5ボルト（V）を使用して0.5アンペア（A）の電流のみを送信します。高速充電技術はこれらの数字を高めます。 Huaweiの10V / 4A SuperChargeは40Wを生成し、Samsungの最新のAdaptive Fast Chargingは15Wのジュースを生成します。一部の中国企業は、最大100Wに達する充電技術を誇っています。すべての高速充電サービスは共通のテーマを共有しています-より多くの電力。
これは単なる基本的な概要です。バッテリーの実際の充電方法はより複雑です。それに進む前に、これらのすべての高速充電標準の違いを詳しく見てみましょう。
高速充電標準の説明
USB電源供給
USB Power Delivery（USB-PD）は、2012年にUSB-IFによって公開された公式の高速充電仕様です。この規格は、メーカーが必要な回路とソフトウェアを備えている限り、USBポートを備えたすべてのデバイスで使用できます。すべての高速充電規格と同様に、USB-PDはデータプロトコルを実装して、充電器と電話の間で通信します。これにより、充電器とハンドセットの両方の最大許容電力供給がネゴシエートされます。
USB Power Deliveryは、最大100Wの出力電力の基本的なUSB充電速度を強化します。利用可能な電力の量は、異なる電圧で動作する異なる電力定格に分割されます。 7.5W +および15W +モードは電話に最適ですが、27W以上はラップトップやその他の高出力デバイスに最適です。この規格は双方向電力もサポートしているため、電話機は他の周辺機器を充電できます。
GoogleのPixelシリーズは公式のPower Delivery仕様を利用しており、今日の主要なスマートフォンの大半でこのテクノロジーがサポートされています。 Appleは、iPhone 8、iPhone X、iPhone XS、および最新のMacBookにも標準を実装しています。ただし、多くの企業は、独自の独自の充電基準をそのまま使用することを好みます。
Qualcommクイックチャージ
Qualcomm独自のQuick Chargeテクノロジーは、USB Power Deliveryの前に急速充電を普及させたため、かつてスマートフォン業界のデフォルト規格でした。 Quick Chargeの最新の4.0+リビジョンはPower Deliveryと互換性があり、より高速な充電速度と幅広いサポートを可能にします。
クイックチャージは、QualcommのSnapdragonプロセッサで利用可能なオプション機能です。携帯電話にQualcommチップが搭載されているからといって、Quick Chargeに対応しているわけではありません。それでも、LG V40、Xiaomi Mi 9、Samsung Galaxy Note 9、HTC U12 Plusなど、さまざまな携帯電話がQuick Chargeをサポートしています。また、この規格の人気により、レガシーチャージャーとサードパーティ製アクセサリの広範なエコシステムもあります。
その他の基準
スマートフォンのエコシステムでは、多くのモデルが上記のユビキタス標準ではなく、社内のテクノロジーを使用しています。ただし、これらの標準のほんの一部だけが真に独自のものです。多くは単に別のブランド名で再パッケージ化されたPower DeliveryまたはQuick Chargeであるか、テクノロジーに対する特定の調整が施されています。SamsungのAdaptive ChargingテクノロジーとMotorolaのTurbo Chargingテクノロジーが思い浮かびます。
OppoのVOOCやHuaweiのSuperChargeなどは、動作がまったく異なります。これらは、電圧を上げるのではなく、高電力充電の電流量を大幅に増やします。 SuperCharge、Super VOCC、OnePlus ’WarpCharge 30は、これらの独自技術の充電速度が長年にわたって大幅に向上しており、市場で最も速いものの1つです。最も一般的な技術のいくつかを並べて示します。
複数の標準をサポートすることも、少なくとも異なる高速充電方法とある程度の互換性を確保することもできます。残念ながら、これにより、異なる充電器や異なるケーブルを搭載した携帯電話を使用した場合に得られる正確な充電速度について、多くの予測不能性が生じます。
いくつかの電話機をテストした後、使用した充電器とケーブルに応じて、各電話機がネゴシエートする電力量に大きなばらつきがあることがわかりました。通常、最良の結果を得るには、携帯電話に同梱されているケーブルと充電器を使用します。
リチウムイオン電池を急速充電する方法
規格をカバーしたので、充電が実際にどのくらい速くバッテリーの充電サイクルを高速化するかを調べましょう。スマートフォンやその他の電子機器で使用されるリチウムイオン電池は、直線的に充電されません。充電サイクルは2つの異なるフェーズに分けられます。
1つは、電圧または定電流フェーズの増加です。バッテリー電圧は、充電時に2Vから最低4.2Vのピークまで着実に増加します。これは、正確なバッテリーによって異なります。このフェーズでは、バッテリーに最大のピーク電流が流れ、バッテリー電圧がピークになるまで一定に保たれます。
その後、電圧が一定になり、電流が低下し始めます。このポイントを超えて充電するバッテリーは、消費電流が少ないため、充電が遅くなります。これが、電話の最初の50パーセントまたは60パーセントがかなり速く充電される理由です。
バッテリーの充電は2段階で行われます。上昇電圧/定電流および一定電圧/下降電流。最初のフェーズは、大電流の急速充電に適しています。
高速充電技術は、定電流フェーズを活用します。バッテリーがピーク電圧に達する前に、できるだけ多くの電流をバッテリーに送り込む。したがって、高速充電技術は、バッテリーの残量が50％未満の場合に最も効果的ですが、80％を過ぎてもほとんど効果がありません。ちなみに、定電流充電は、バッテリーの長期的な健康にとって最も有害な期間です。より高い定電圧は、熱とともに、バッテリー寿命に悪影響を及ぼします。
最後に、バッテリーに渡される電圧と電流の量は、電話機内部の充電コントローラー回路を介して制御されます。温度センサーと電圧センサーと組み合わせて、コントローラーは電流量を管理して、バッテリーの充電速度と長期的な健康状態を最適化できます。
高電圧での急速充電？
ここで明らかな問題を見つけた方もいるかもしれません。リチウムイオン電池の一般的な電圧が3〜4.2Vの場合、高電圧の充電器を使用するのは危険ではありませんか？
通常はこれに該当しますが、スマートフォンの回路は電圧を下げて電流を上げます。これにより、伝送される電力量は同じ（P = IV）に保たれますが、電圧は正しい範囲に移動します。いいえ、高速充電ケーブルはAC電圧変換を行いません。充電器の背面を見ると、小さな破線のDC電流アイコンspotを見つけることができます。 USBは常にDC電力供給システムです。
高電圧高速充電回路は、降圧インバーターとしても知られるスイッチモード降圧電源を使用します。この回路は高いDC電圧を受け取り、それを低いDC電圧に変換します。理想的には、「チャージポンプ」特性のおかげで、電流に逆数を乗算します。本質的には、入力電圧を切り替えて、大量の電流でコンデンサを充電するスイッチです。
これは複雑に見えますが、右側のグラフに従ってください。高入力電圧がオンとオフに切り替わり、VinからPWM信号が生成されます。これにより、インダクタLを介してコンデンサCoutに流れる「ポンプ」電流が大きくなります。負荷（バッテリー）では、高電流と低平均電圧（Vout）が見られます。
10V / 1Aから5Vに降圧すると、理想的にはコンバータの後に2Aの電流が得られます。現実の世界では、これらの変換に関連する損失が常に発生し（通常、これらは90％を超える効率です）、熱として放散されます。通常、スイッチモード電源は、リニアレギュレータよりもエネルギーを無駄にしません。
より高い電圧を使用する理由
より高い電圧を使用する主な理由は2つあります。まず、スイッチモード電源は、熱放散によって電圧を低下させるリニアレギュレータよりも効率的です。これは、携帯電話とそのバッテリーを低温に保つために特に重要です。
2つ目は、USBケーブル、特に長いケーブルでの電力損失に関するものです。ワイヤの長さなどの抵抗は、通過する電流に基づいて電圧を下げます（オームの法則V = IR）。より高い電圧とより低い電流を使用して同じ電力を伝送すると、ケーブルの長さにわたって失われる電力が少なくなります。これはより効率的であり、主電源グリッドが5Vではなく数百ボルトである理由です。
ただし、バックコンバータはリニアレギュレータよりも容易に電流制限されるというトレードオフがあります。最大出力電力は、トランジスタの電力能力に加えて、インダクタのサイズ、コンデンサ、電圧リップル、スイッチング周波数に依存します。従来のリニア電圧レギュレータを介してのみ非常に高い電流に到達することが可能です。これが、HuaweiやOPPOのような低電圧5V急速充電技術の一部が、QualcommやSamsungの高電圧降圧スイッチングバージョンよりも高い総電力を提供する理由です。
MediaTekの最新のPump Expressテクノロジーは、スイッチモードとリニアレギュレータ充電の両方に対応しています。
上の図は、MediaTekのPumpExpress 3.0および4.0が最大5Aの充電電流にどのように到達するかを示しています。 5Aケーブルが接続されている場合、その技術は従来のスイッチング充電器をバイパスして、より高い電流を可能にします。この場合、回路はデータラインで必要な電圧をネゴシエートし、Vbus充電電圧を上げ下げして最大効率を実現します。
要約
高速充電には、それぞれに長所と短所があるさまざまな可能な技術が含まれます。企業が充電を高速化し、バッテリー寿命を最大化するために独自のアプローチを採用しているため、これが市場に非常に多くの異なる規格がある理由の一部です。
数世代前、高電圧充電が標準になりつつあり、現在、技術は、制御された低電圧と高電流を実装して、速度をさらに向上させています。ただし、これには太いケーブルが必要であり、別の互換性の問題が追加されます。
USB Power Deliveryはすでにかなり広く採用されています。これは今後すべてのUSB充電標準のバックボーンを形成する可能性がありますが、このユニバーサル標準のサポートに加えて、企業は独自のさらに高速なソリューションを試すことになるでしょう。
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