Standardy szybkiego ładowania USB

Interfejs USB stosowany jest głównie do łączenia ze sobą urządzeń, przesyłania plików, oraz ładowania urządzeń. W artykule skupimy się właśnie na tej ostatniej funkcjonalności. Serdecznie zapraszamy na drugą część kursu elektroniki.

Wstęp
Interfejs USB jest jednym z najpowszechniejszych interfejsów, ten krótki skrót pochodzi od słów: Universal Serial Bus, co w tłumaczeniu na język polski znaczy - Uniwersalna Magistrala Szeregowa. Uniwersalna - możliwość podłączenia różnorakich urządzeń; Magistrala - inna nazwa interfejsu, portu; Szeregowa - rodzaj portu (port szeregowy).

Moc ładowania, napięcie i prąd

Parametrem definiującym wydajność ładowania jest moc [W], to iloczyn wartości napięcia [V] oraz prądu [A]. Zatem wzór mocy dla prądu stałego DC, który występuje właśnie na gnieździe USB, będzie następujący:

P=U*I,

gdzie U - napięcie na porcie,
I - prąd ładowania wynikający z charakterystyki standardu ładowania.

Standardowym napięciem na stykach zasilania złącza USB jest 5V. Dokładnie takie napięcie będzie domyślnie na gniazdach USB komputera, ładowarki do telefonu, powerbanku. Specjalnie użyto słowa domyślnie, w nowszych standardach istnieje możliwość stopniowej regulacji napięcia ładowania, ale napięcie na porcie bez podłączonego urządzenia, obligatoryjnie musi wynosić 5V. Wartość prądu wynika ze specyfikacji poszczególnych standardów.

Standardy ładowania

Pierwsze standardy interfejsu USB w wersjach 1.0 (1996) oraz 2.0 (2000) posiadały wydajność prądową rzędu 0,5A, co przy napięciu 5V przekładało się na skromne 2,5W. Kolejna wersja USB 3.0 (2008) posiadała wydajność 0,9A, czyli 4,5W. Na szczęście współczesne standardy ładowania charakteryzują się większymi mocami, co przekłada się na znacznie szybsze ładowanie naszych urządzeń mobilnych. Producenci cały czas opracowują coraz to nowsze technologie ładowania, z mocami rzędu 120W (to tyle co zasilacz mocno wydajnego laptopa).

Poza standardami indywidualnymi dla poszczególnych producentów, istnieją standardy stosowane ogólnie, takie jak Quick Charge (QC) oraz Power Delivery (PD). Są to najbardziej spopularyzowane na dzień dzisiejszy standardy ładowania. Dla QC oraz PD napięcie ładowania może sięgać 20V (w najnowszej wersji PD nawet 48V), w zależności od urządzenia i zapotrzebowania. Standard PD wykorzystywany jest przykładowo w zasilaczach laptopowych USB-C, gdzie dzięki profilowi 20V, 3A uzyskuje się 60W. Co ciekawe, dokładnie tym samym zasilaczem możemy ładować telefon, którego napięcie ładowania wynosi 12V, bądź słuchawki z portem USB-C, których napięcie ładowania nie może być większe niż 5V. Jak to się dzieje? Standard PD posiada linię komunikacyjną, dzięki której urządzenie ‘dogaduje’ się z ładowarką i przekazuje informację z jakim napięciem i mocą może się ładować/działać.
Informację taką nazywamy profilem ładowania. I tak w przypadku ładowania laptopa będziemy mieli profil 60W (3A, 20V), ładowanie telefonu odbywa się przy profilu 18W (1.5A, 12V), a słuchawki ładują się profilem 2.5W (0.5A, 5V). Standard QC działa w tożsamy sposób, urządzenie wymusza określony profil ładowania.

Tabelka z popularnymi standardami ładowania i ich parametrami:

Standard
Rodzaj złącza
Napięcie [V]
Prąd [A]
Moc [W]

USB 2.0
USB A
5
0.5
2.5

USB 3.0
USB A
5
0.9
4.5

QC 2.0
USB A
5, 9, 12
2
18

QC 3.0
USB A
3.6 - 20 (co 0.2)
3
18

QC 4.0
USB C
3.6 - 20 (co 0.2)
3
27

QC 5.0
USB C
3.3 - 20 (co 0.2)
5
100

PD 1.0; 2.0
USB C
5, 9, 12, 15, 20
5
100

PD 3.0
USB C
5, 9, 12, 15, 20
5
100

PD 3.0 PPS
USB C
3.3 - 21 (co 0.02)
5
100

PD 3.1
USB C
3.3 - 48 (co 0.02)
5
240

Poza wyżej wymienionymi standardami, istnieje wiele indywidualnych standardów, nie ma potrzeby ich omawiania. Różnią się one napięciami i prądami, niektórzy producenci uzyskują wysoką moc poprzez podniesienie nominalnego napięcia, niektórzy korzystają ze standardowego napięcia 5V, przy stosunkowo dużym prądzie ładowania.

Podsumowanie

Analizując parametry standardów ładowania ułożonych chronologicznie, widzimy jak dynamicznie rosną możliwości portu USB. Niezależnie od standardu ładowania, zasada działania zawsze jest taka sama, po podłączeniu urządzenia do ładowania, następuje negocjacja profilu i po pozytywnym jej wyniku proces ładowania się rozpoczyna. Standardowe ładowanie napięciem 5V jest stosowane jedynie w niewielkich urządzeniach przenośnych. Wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba szybkiego naładowania baterii o dużej pojemności, implementacja któregoś ze standardów szybkiego ładowania jest konieczna.

Dodaj komentarz

Plain text

  • Znaczniki HTML niedozwolone.
  • Adresy internetowe są automatycznie zamieniane w odnośniki, które można kliknąć.
  • Znaki końca linii i akapitu dodawane są automatycznie.