Ускоренная зарядка аккумуляторов портативных гаджетов
Мобильные устройства уже давно стали неотъемлемой частью нашей жизни. Взять, к примеру, смартфоны. В отличие от обычных мобильных телефонов, они предоставляют пользователю широкий спектр функций: скоростной доступ в сеть Интернет, социальные сети, и огромное количество приложений, как практичных, деловых, так и развлекательных. Все эти функции имеют только один минус – большую энергозатратность. Среднестатистический смартфон способен активно функционировать не дольше суток, несмотря на постоянный рост емкости производимых аккумуляторов.
Тут мы вплотную подходим к проблеме длительности зарядки. Разница между десятью минутами подзарядки, которой хватает на весь день работы, и часом, когда батарея заполняется только на 80%, может стать важной для опытных пользователей. Использование носителя большей емкости и минимизация используемого времени требует величины зарядного тока более 4А. Это заставляет инженеров искать все новые методы решения проблемы.
USB зарядные устройства
В портативной технике используется обычный 5 В источник питания USB. Стандартный USB-порт может обеспечить на выходе только 500мА (при использовании интерфейса 2.0) или 900мА (при использовании нового интерфейса 3.0), что недостаточно для быстрой зарядки. При использовании стандартного USb-mini разъёма увеличить силу тока на 1,8А может специальный адаптер. Таким образом, максимальная сила тока при использовании USB-интерфейса может быть равна 2,7А, чего не хватит для быстрой подзарядки батареи емкостью 4,000мА/ч и более.
Теоретически, мощность адаптера можно увеличить. Но тут есть свои ограничения:
· большая сила тока в адаптере (к примеру, 2А и выше) требует использования особого кабеля и коннектора, что значительно увеличит общую стоимость всей системы;
· из-за сопротивления соединительного кабеля больший исходящий ток адаптера увеличит длительность зарядки.
Эти причины подтолкнули конструкторов выпустить на рынок новые адаптеры, к примеру - USB Power Delivery. Ключевой особенностью такого оборудования является возможность распознавать необходимое для устройства напряжение. Адаптер начинает со стартовых 5В и постепенно повышает напряжение до 9 или 12 Вольт, что происходит только после подтверждения системой поддержки такого напряжения.
Обмен информацией в оборудовании происходит при помощи D+ и D- контактов, через которые передается уникальный алгоритм. Такие гибридные адаптеры способны подстроиться под любой тип зарядных систем и гарантируют комфортную эксплуатацию.
Ускорение зарядки батареи
Возможно ли дальнейшее ускорение процесса при помощи каких-либо инновационных подходов, без увеличения силы тока или потребляемой мощности? Чтобы дать ответ на этот вопрос, давайте разберем сам принцип работы зарядного устройства.
В цикле работы зарядного устройства выделяют два режима: режим постоянного тока и режим постоянного напряжения. Режим постоянного тока включается, когда напряжение в аккумуляторе становится ниже напряжения в сети. Как только напряжение на клемме аккумулятора достигает определенной отметки, включается режим постоянного напряжения и прекращается, когда сила тока на клемме становится равной силе тока заряда.
В идеальной зарядной системе, в которой отсутствует сопротивление самой батареи, существует только режим постоянного тока. В реальной же имеется несколько видов сопротивления:
· PCB платы;
· двух МОП-защитных транзисторов;
· прибора, измеряющего процент заряда;
· внутреннее сопротивление самих ячеек батареи, которое зависит от температуры и процента заряда.
Поэтому избежать режима постоянного напряжения невозможно. Занимая до 70% всего времени зарядки, он заполняет батарею максимум на 30%. При этом, чем значительней показатели внутреннего сопротивления, тем дольше длится работа в данном режиме.
Особенно внутреннее сопротивление замедляет подзарядку устройств с большой силой заряда (планшеты, смартфоны и т.д.). При силе тока в 4А этот показатель батареи значительно увеличивается, в то время как на PCB плате происходит резкое падение напряжения. Это заставляет систему экстренно переходить в режим постоянного напряжения и, как следствие, увеличивает общее время зарядки. Можно ли избежать такого падения напряжения на плате?
При исследовании данного процесса, специалисты смогли точно выявить момент падения напряжения в реальном времени. На основе этого была разработана ИК система уменьшения сопротивления. С ее помощью устройство работает в режиме постоянного тока дольше, до того момента, пока напряжение батареи максимально не приблизится к требуемому значению. Это позволяет уменьшить время работы в режиме постоянного напряжения и сократить общее время зарядки любого гаджета почти на 20%.
Оптимизация температур
Для ускорения зарядки нужно использовать мощный адаптер питания, например 9В/1,8А и 12В/2А. Кроме пополнения аккумулятора, он питает все системы гаджета.
Адаптер является одним из самых горячих мест в зарядной системе. Для оптимальной работы перепад температуры (по сравнению с окружающей средой) не должен превышать 15°C. Перегрев может крайне негативно сказаться на функциональности всего устройства. Как же достичь лучшей тепловой характеристики и эффективности?
Эта блок-схема демонстрирует работу зарядного устройства переключения 4,5А.
Схема #1 демонстрирует упрощенную схему применения зарядного устройства переключения с мощностью 4.5А. Представленное оборудование поддерживает как интерфейс USB, обычный адаптер переменного тока и имеет интегрированные МОП-транзисторы низкого сопротивления. Их комбинация обеспечивает максимальную эффективность зарядки батареи и гарантирует качество работы адаптера для достижения максимально быстрого результата.
Для дальнейшего улучшения тепловых характеристик вводится возможность регулирования теплового контура. Происходит это благодаря технологии удержания максимально допустимой температуры и уменьшения зарядного тока.
Результаты тестов
Сравнение длительности подзарядки при различной силе тока: 2.5A и 4.5A.
На второй схеме показана зависимость времени заряда от силы тока. Она показывает, что с увеличением силы заряда его время значительно уменьшается (до 30%). Другими словами, с увеличением силы тока на 2А, зарядка будет длиться на 1 час меньше.
Быстрая зарядка с использованием ИК компенсации
На третьей схеме показана выгода практического применения ИК компенсации. Мы видим, что при силе тока в 4.5А время заряда уменьшилось на 17%. Это было достигнуто путем компенсации 70 мОм сопротивления для заряда одной клетки батареи без увеличения температуры.
Заключение
На фоне быстрого развития портативной техники проблема ускорения зарядки гаджетов становится все более и более важной. Ее решение требует принципиально новых инженерных и конструкторских решений. Таких, как новые типы адаптеров и систем решения проблем термальной оптимизации. Представленные результаты тестов демонстрируют возможную эффективность улучшенной системы быстрой зарядки.
На текущий момент реализовано две технологии:
Qualcomm Quick Charge - 13 устройств на Android: Motorola DROID Turbo, Nexus 6, Samsung Galaxy Note Edge, Samsung Galaxy Note 4, HTC Desire EYE, HTC One remix, HTC One (M8), Motorola Moto X (2014), Sony Xperia Z3 Tablet Compact, Sony Xperia Z3 Сompact, Sony Xperia Z3, Sony Xperia Z2 Tablet. Для быстрой зарядки вам понадобится одно из вышеперечисленных устройств и соответствующий зарядный адаптер.
Позволяет заряжать на 75% быстрее.
MediaTek Pump Express Plus - пока только одно устройство: Koobee Halo 3 - он официально доступен для покупки только в Китае. Список других устройств, поддерживающих Pump Express Plus, будет обнародован в самом ближайшем будущем.
Позволяет заряжать на 45% быстрее.
