実際の急速充電の仕組み

Android Authority より転載

急速充電は、今日の携帯電話に必須の機能です。忙しい日々でもバッテリーをフル充電できます。ただし、さまざまな企業からさまざまな規格が提供されています。特定のケーブルや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。すべてが少し混乱する可能性があるため、ここで理解できるように説明します。

簡単に言うと、急速充電はバッテリーに送られる電流を増やして、容量をより早く満たします。基本的な USB 仕様では、5 ボルト (V) を使用して 0.5 アンペア (A) の電流を 2.5 ワット (W) で送信するだけです。急速充電テクノロジーはこれらの数値を高めます。Huawei の 5V/5A SuperCharge は 25W、Samsung の 9V/1.7A Adaptive Fast Charging は 15W の電力を生成します。すべての急速充電サービスに共通するテーマは、より多くの電力です。

これは基本的な概要にすぎません。バッテリーが実際に充電される方法はもっと複雑です。それに入る前に、これらすべての急速充電規格の違いを詳しく見てみましょう。

急速充電規格の説明

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急速充電仕様です。この規格は、メーカーが必要な回路とソフトウェアを搭載していれば、USB ポートを備えたあらゆるデバイスで使用できます。すべての急速充電規格と同様に、USB-PD は充電器と電話機の間で通信するためのデータ プロトコルを実装します。これにより、充電器と携帯電話の両方の最大許容電力供給が調整されます。

USB Power Delivery は、基本 USB 充電速度を最大 100W の出力電力まで増強します。利用可能な電力量は、異なる電圧で動作するさまざまな電力定格に分割されます。7.5W+ および 15W+ モードは携帯電話に最適で、27W 以上はラップトップやその他の高電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、携帯電話で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 仕様を採用しています。Apple も iPhone 8、iPhone X、最新の MacBook にこの規格を実装しています。多くの企業は独自の充電規格を好んでいます。

クアルコム クイック チャージ

Qualcomm 独自の Quick Charge テクノロジーは、USB Power Delivery 以前に急速充電を普及させたため、かつてはスマートフォン業界の標準でした。Quick Charge の最新 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より幅広いサポートを実現します。

Quick Charge は、Qualcomm の Snapdragon プロセッサで利用できるオプション機能です。そのため、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 V30、LG G7、Samsung Galaxy Note 8、HTC U12 Plus など、さまざまな電話が Quick Charge をサポートしています。また、この規格の人気により、従来の充電器やサードパーティのアクセサリの幅広いエコシステムも存在します。

その他の規格

スマートフォンのエコシステムでは、多くのモデルが、上記のより一般的な標準ではなく、自社製の技術を使用しています。ただし、これらの標準のうち、本当に独自のものはほんのわずかです。多くは、異なる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、技術に特定の調整を加えたものです。Samsung の Adaptive Charging や Motorola の Turbo Charging 技術が思い浮かびます。

Oppo の VOOC や Huawei の Super Charge など、動作がまったく異なるものもあります。これらは、電圧を上げるのではなく、高出力充電の電流量を大幅に増加させます。最も一般的な技術のいくつかを並べて比較すると、次のようになります。

複数の標準をサポートするか、少なくともさまざまな高速充電方法との互換性をある程度確保することは可能です。残念ながら、これにより、異なる充電器や異なるケーブルで電話を使用した場合に、正確な充電速度が大幅に予測できなくなります。

いくつかの電話をテストした後、使用する充電器とケーブルに応じて、各電話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、携帯電話に同梱されているケーブルと充電器を使用すると、最良の結果が得られます。

リチウムイオン電池を急速充電する方法

基準についてはこれで説明しましたので、急速充電が実際にバッテリーの充電サイクルをどの程度高速化するかを詳しく見ていきましょう。スマートフォンやその他の電子機器に使用されているリチウムイオン バッテリーは、直線的に充電されるわけではありません。充電サイクルは 2 つの明確な段階に分かれています。

1 つ目は、電圧上昇段階、つまり定電流段階です。充電が進むにつれて、バッテリー電圧は最低 2V からピークの約 4.2V まで着実に上昇します。これはバッテリーによって異なります。この段階でバッテリーは最も高いピーク電流を消費しますが、バッテリー電圧がピークに達するまで一定のままです。

その後、電圧は一定になり、電流が減少し始めます。この時点を超えて充電されるバッテリーは消費電流が少なくなるため、充電速度が遅くなります。これが、携帯電話の最初の 50 ～ 60% がかなり速く充電される理由です。

バッテリー大学

バッテリーの充電は、上昇電圧/定電流と定電圧/下降電流の 2 つのフェーズで行われます。最初のフェーズは、高電流の急速充電に適しています。

急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流します。したがって、急速充電技術はバッテリーが 50% 未満のときに最も効果的ですが、80% を超えるとほとんど効果がないかまったくありません。ちなみに、定電流充電はバッテリーの長期的な健全性に最も悪影響が少ない期間です。定電圧が高くなると、熱とともにバッテリーの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、携帯電話内の充電コントローラ回路によって制御されます。温度センサーと電圧センサーを組み合わせることで、コントローラは電流量を管理し、バッテリーの充電速度と長期的な健全性を最適化できます。

高電圧で急速充電?

ここで明らかな問題に気づいた方もいるかもしれません。リチウムイオン電池の標準的な電圧が約 3 ～ 4.2V である場合、高電圧充電器を使用するのは危険ではないでしょうか?

通常はそうなるはずですが、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、転送される電力量は同じまま (P = IV)、電圧が適切な範囲に移動します。また、急速充電ケーブルは 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 ⎓ が見つかります。USB は常に DC 電力供給システムです。

高電圧急速充電回路は、降圧インバータとも呼ば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」特性により、電流を逆数で乗算します。基本的には、入力電圧を切り替えてコンデンサを大量の電流で充電するスイッチです。

Analog

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を切り替えて、Vin から PWM 信号を生成します。これにより、インダクタ L を介してコンデンサ Cout に高い「ポンピング」電流が誘導されます。負荷 (バッテリー) では、高い電流と低い平均電圧 (Vout) が見られます。

10V/1A から 5V に降圧すると、コンバーターの後に 2A の電流が理想的に発生します。現実の世界では、これらの変換には常に何らかの損失があり (通常、効率は 90% 以上)、熱として放散されます。スイッチ モード電源は、通常、リニア レギュレーターよりもエネルギーの無駄が少なくなります。

なぜ高電圧を使用するのでしょうか?

より高い電圧を使用する主な理由は 2 つあります。1 つ目は、熱放散によって電圧を下げるリニア レギュレータよりもスイッチング モード電源の方が効率的であることです。これは、携帯電話とそのバッテリーを冷却するために特に重要です。

2 つ目は、特に長い USB ケーブルでの電力損失に関係します。長さのあるワイヤなどの抵抗器は、そこを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)。同じ電力を高い電圧と低い電流で伝送すると、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、メインの電力グリッドが 5V ではなく数百ボルトである理由です。

ただし、トレードオフとして、降圧コンバータはリニア レギュレータよりも電流制限を受けやすいという点があります。最大出力電力は、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、およびトランジスタの電力能力によって異なります。非常に高い電流に到達できるのは、より伝統的なリニア電圧レギュレータを使用した場合のみです。このため、Huawei や OPPO などの低電圧 5V 急速充電技術の一部は、Qualcomm や Samsung の高電圧バックスイッチング バージョンよりも総電力が大きくなります。

MediaTek

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 レギュレータの両方の充電に対応します。

上の図は、MediaTek の PumpExpress 3.0 および 4.0 がどのようにして最大 5A の充電電流に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、そのテクノロジーは従来のスイッチング充電器をバイパスして、

この場合、回路はデータライン上で必要な電圧をネゴシエートし、効率を最大化するために Vbus 充電電圧を上げ下げします。

まとめ

急速充電にはさまざまな技術が考えられますが、それぞれに長所と短所があります。充電を高速化し、バッテリー寿命を最大化するために各社が独自のアプローチをとっているため、市場にはさまざまな規格が存在します。

数世代前には、高電圧充電が標準になりつつあり、現在では、速度をさらに高めるために、より低い制御電圧と大電流がテクノロジーによって実装されています。

より太いケーブルが必要になり、互換性に関する問題がさらに増えます。

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 充電規格のバックボーンを形成すると考えられますが、企業が独自の規格をさらに迅速に実験することになるでしょう。

この普遍的な標準をサポートする上でソリューションを提供します。