Ricarica rapida: cos’è, come funziona e standard principali

La ricarica rapida è una tecnologia che permette all’utente ricaricare il suo smartphone in un breve periodo di tempo, molto utile in situazioni di emergenza.

Probabilmente conosci Qualcomm Quick Charge o USB Power Delivery, ma esistono tante altre tecnologie di ricarica rapida che ci permettono ricaricare lo smartphone in pochi minuti come l’Adaptive Fast Charging della Samsung o Super VOOC Flash Charge della Oppo.

Nella seguente guida impareremo come funziona la ricarica rapida e quali sono i diversi protocolli esistenti nel mercato:

Concetti di base: come funziona una batteria?

Una batteria è un dispositivo che immagazzina energia e la trasforma in elettricità quando ne abbiamo bisogno. Questo è possibile grazie a un processo chimico che si sviluppa all’interno della batteria.

La batterie hanno due terminali, uno positivo e l’altro negativo. Quando colleghiamo un dispositivo elettrico alla batteria, gli elettroni viaggiano dal terminale negativo verso il positivo tramite il dispositivo, creando così corrente elettrica. Questo fa sì che il dispositivo funzioni.

Nelle batterie non ricaricabili, queste reazioni chimiche accadono una volta sola, ma nelle ricaricabili la reazione è reversibile, ossia, le possiamo ricaricare.

Componenti basici del processo di ricarica

Possiamo affermare che una corrente elettrica continua (CC) è caratterizzata da:

• Volt (V): misurano il voltaggio (V).
• Ampere (A): misurano l’intensità della corrente (I).
• Watt (W): misurano la potenza (P).

E cosa sono questi parametri? Vediamolo attraverso un’analogia:

Immagina una tubatura verticale:

• I Volt (V) rappresentano la voglia dell’acqua di passare dal punto più alto a quello più basso, ciò equivale alla pressione (statica).
• Gli Ampere (A) rappresentano la sezione della tubatura, cioè, a maggior sezione, più acqua percorrerà la tubatura.
• I Watt (W) misurano la potenza (P) e rappresentano il caudale dell’acqua che percorre la tubatura, il quale aumenta assieme all’aumento della pressione e dell’area della tubatura. Perciò, la potenza va calcolata così:

P = V x I (W).

La potenza (P) determina la velocità di ricarica e scarica di una batteria.

Come funziona la ricarica rapida?

La prima conclusione alla quale possiamo arrivare a questo punto è che per ricaricare una batteria più velocemente dobbiamo aumentare la potenza.

Allora basta aumentare l’intensità o il voltaggio? Sì, ma è un’operazione che deve realizzarsi con molta cura se non vogliamo che la batteria prenda fuoco o persino esplodere (com’è accaduto con il modello Note 7 della Samsung anni fa).

Possiamo dire che il processo di ricarica di una batteria è simile a quello di gonfiare un palloncino con l’acqua, ovvero:

Lo attacchi al rubinetto e, all’inizio, puoi riempirlo velocemente, ma man mano che si riempie devi chiudere il rubinetto in modo che il palloncino non esploda e l’acqua non esca.

Le batterie hanno dei chip che regolano il flusso totale di elettricità che entra ed esce dalla batteria, inoltre, controllano altre variabili come la temperatura. Perciò, la velocità di ricarica dipenderà del tipo di controller che abbia il nostro smartphone o power bank.

Aumentare l’intensità

Le batterie agli ioni di litio che vengono utilizzate all’interno degli smartphone e altri apparecchi elettronici non si ricaricano linearmente, infatti, il ciclo di ricarica si suddivide in due fasi diverse:

1. All’inizio, la batteria recupera il voltaggio o tensione di funzionamento. Nelle batterie normali degli smartphone la ricarica aumenta costantemente dai 2V (quando è scarica) fino ai 4,2V che si raggiungono, approssimativamente, al 50% della ricarica. Quei 4,2V si manterranno costanti fino a raggiungere il 100% di carica.
2. Quando il voltaggio diventa costante, la corrente inizia a decadere e, pertanto, si ricarica più lentamente. Perciò, le ricariche rapide sono realmente efficaci per ricaricare lo smartphone fino al 50 o 60% di ricarica, poi diventano considerevolmente più lente.

Le tecnologie di ricarica rapida approfittano, soprattutto, la prima fase, quella della corrente costante nella quale si può aumentare l’intensità prima che la batteria raggiunga il voltaggio massimo.

Pertanto, le tecnologie di ricarica rapida sono più effettive quando la batteria è sotto al 50 per cento, ma hanno poco o nessun effetto quando si supera l’80 per cento.

È qualcosa che, probabilmente, tu stesso abbia notato. Da 0 a 50% lo smartphone si ricarica velocissimo, ma da 50% a 100% è notevolmente più lento.

Un aspetto molto importante è che la fase di ricarica a corrente costante è il periodo meno dannoso per lo stato di salute della batteria nel lungo periodo. È assai più aggressiva la fase a voltaggio massimo che, assieme al caldo, possono influire in modo pregiudizievole sulla vita utile della batteria.

Aumentare la tensione

Se le batterie agli ioni di litio hanno una tensione tipica tra i 3 e i 4,2V, sarebbe pericoloso utilizzare caricatori di maggior tensione?

Si e no.

Si perché fornirgli più voltaggio alla batteria potrebbe essere pericoloso, ma in realtà i circuiti interni del cellulare riducono il voltaggio e aumentano la corrente. In questo modo, la potenza è la stessa (P = IV), ma utilizzando un rango corretto quando la corrente arriva alla batteria.

La conversione da 10V/1A a 5V produrrebbe idealmente una corrente da 2A. Tuttavia, nel mondo reale, ci sono sempre perdite associate a queste conversioni nelle cui viene dissipato calore. L’efficienza è del 90% circa.

Perché usare voltaggi più elevati?

Ci sono due motivi principali che ci spingono a utilizzare voltaggi più elevati. In primo luogo, le sorgenti commutate sono più efficienti che i regolatori lineari che diminuiscono i voltaggi tramite la dissipazione di calore.

Questo è specialmente importante per evitare il surriscaldamento dei nostri cellulari e le sue batterie.

Il secondo è la perdita di energia tramite i cavi USB, particolarmente quelli più lunghi. Una resistenza fa diminuire la tensione secondo la legge di Ohm (V=IR). Perciò, trasmettendo la stessa potenza utilizzando un voltaggio più elevato e una corrente più bassa è più efficiente e si perde meno potenza.

Tuttavia, i riduttori di potenza hanno lo svantaggio di supportare meno corrente rispetto ai regolatori lineari.

Pertanto, la potenza massima dipenderà delle dimensioni dell’induttore, del condensatore e dell’ondulazione di tensione, così come della frequenza di commutazione, inoltre alle capacità di potenza dei transistor. Ciò vuol dire che per raggiungere intensità di corrente più elevate avremo bisogno di un regolatore di tensione lineare.

Questo è il motivo per cui alcune tecnologie di ricarica rapida a basso voltaggio come 5V, come quelle della Huawei e della Oppo, offrono più potenza totale che le versioni di commutazione di alto voltaggio di Qualcomm e Samsung.

Il diagramma qui sopra mostra come le tecnologie Pump Express 3.0 e 4.0 della MediaTek riescono a raggiungere fino a 5A di corrente di ricarica. Se colleghiamo un cavo da 5A, la sua tecnologia evita (bypass) il caricabatterie di commutazione convenzionale per permettere una corrente più elevata.

Lo standard USB

Se c’e qualcosa di “universale” nel mondo dell’informatica è l’USB (Universal Serial Bus).

È presente nella gran parte dei dispositivi, parliamo di cellulari, mouse, auricolari e perfino auto.

La prima cosa che dobbiamo avere in considerazione è che una connessione USB è caratterizzata da due elementi: il tipo di connettore e il numero di versione.

• Tipo di connettore: USB tipo A, USB tipo B, mini USB, micro USB, USB tipo C…
• Specifica: ossia, il numero di versione USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0, USB 3.1, ecc.

Quello che più ci interessa e riguarda la potenza di ricarica è il numero di versione che utilizzano i nostri dispositivi perché è la base che usano i fabbricanti per poi implementare i loro sistemi.

Versione USB	Voltaggio	Corrente	Potenza massima
USB 1.0	5V	0,5A	2,5W
USB 2.0	5V	0,5A	2,5W
USB 3.0	5V	0,5A-0,9A	4,5W
USB 3.1	5-20V	0,5A/0,9A/1,5A/3A/5A	100W

Tipi di standard di ricarica rapida

Come abbiamo appena visto, fino alla versione USB 3.1, la potenza che poteva fornire il protocollo USB era molto limitata. Perciò i fabbricanti hanno deciso di sviluppare tecnologie capaci di migliorare la velocità di ricarica dei loro dispositivi.

Vediamo quali sono le più popolari:

Qualcomm Quick Charge

Quick Charge, noto anche come QC, è lo standard di ricarica rapida più comune del mercato. È stato sviluppato dalla Qualcomm, celebre fabbricante di chipset per smartphone. Le versioni di Quick Charge sono:

• Quick Charge 1.0: utilizza 5V e 2A per raggiungere una potenza da 10W.
• Quick Charge 2.0: può utilizzare i voltaggi 5V, 9V o 12V per raggiungere potenze fino ai 18W.
• Quick Charge 3.0: è più avanzato e può aumentare il voltaggio dinamicamente tra i 3,6V e i 20V, anche se la potenza massima rimane ferma a 18W.
• Quick Charge 4 e 4+: in questo caso, Qualcomm gioca sia con il voltaggio che con l’intensità della corrente. A 5V è capace di fornire tra i 4,7V e 5,6 ampere, mentre a 9V fornisce 3A. Inoltre, i dispositivi con QC 4+ che utilizzano USB-C hanno un secondo chip di gestione dell’energia che gli permette aumentare la potenza fino ai 27W senza pericoli di surriscaldamento.

È importante sottolineare che tutte le versioni di QC sono retrocompatibili, motivo per cui possiamo usare uno smartphone con QC 4+ con un caricatore QC 2.0, ma la velocità verrà limitata al dispositivo con la versione più vecchia.

Puoi dare un’occhiata all’elenco dei dispositivi compatibili con ogni generazione nel seguente link.

Adaptive Fast Charging di Samsung

Adaptative Fast Charging (AFC) è il protocollo di ricarica rapida sviluppato dalla Samsung per i loro smartphone. Funziona in modo simile giocando sia con il voltaggio che con l’amperaggio per ottimizzare la potenza di ricarica:

• I cellulari più vecchi, con connettori micro USB, utilizzano 5V/2A (10W).
• I nuovi smartphone con USB-C possono raggiungere i 5V/3A o i 9V/2A (18W).

Questo standard è conservativo e ricarica la batteria più lentamente rispetto a QC della Qualcomm. In ogni modo, la maggior parte dei cellulari della Samsung ammettono anche QC, il che li fa compatibili con la maggior parte dei caricatori rapidi.

Super VOOC Flash Charge di Oppo

VOOC è lo standard di ricarica rapida di Oppo, azienda cinese in piena espansione a livello internazionale. VOOC aumenta esclusivamente la corrente, senza modificare la tensione, potendo trasferire corrente a 5 volt e 4 ampere (20W).

La versione Super VOOC aumenta il voltaggio fino ai 10 volt e l’intensità fino ai 5 ampere, raggiungendo una potenza totale di 50 watt.

Dash di OnePlus, conosciuto ora come Fast Charge

La ricarica rapida della OnePlus è basata su quella VOOC di Oppo, ossia, funzionano nella stessa maniera. La versione vecchia aumentava l’amperaggio fino ai 4 ampere, mentre il voltaggio rimaneva a 5V.

La nuova tecnologia OnePlus Fast Charge aumenta il voltaggio fino ai 10 volt e l’intensità fino ai 5 ampere, raggiungendo una potenza totale di 50 watt.

SuperCharge di Huawei

Huawei SuperCharge funziona giocando sia con i voltaggi che con gli amperaggi nelle seguenti combinazioni: 5V/1A (5W), 5V/2A (10W), 9V/2A (18W), 4.5V/5A (22.5W) o 8V/5A (40W).

Anker PowerIQ

Anker è uno dei migliori fabbricanti di power banks e ha sviluppato la tecnologia di ricarica rapida PowerIQ. Funziona modificando sia il voltaggio che l’amperaggio:

• PowerIQ 1.0 può fornire fino a 12W di potenza.
• PowerIQ 2.0 può fornire fino a 18W.

Uno degli aspetti più notevoli di PowerIQ è la sua capacità per adeguarsi a un’ampia varietà di dispositivi:

La tecnologia PowerIQ è compatibile con una grande quantità di dispositivi, includendo smartphone, tablet, casse Bluetooth, auricolari wireless e altro. Questo significa che puoi utilizzare un solo caricabatterie o cavo PowerIQ per ricaricare praticamente qualsiasi dispositivo che tu abbia.

Inoltre, PowerIQ è compatibile con la maggior parte dei protocolli di ricarica rapida esistenti, come Qualcomm Quick Charge e Samsung Adaptive Fast Charging. Ciò significa che se il tuo dispositivo è compatibile con qualunque di questi protocolli, puoi utilizzare un caricabatterie o cavo PowerIQ per approfittare al massimo la loro velocità di ricarica.

Pump Express di MediaTek

Così come Qualcomm con Quick Charge, MediaTek ha lanciato lo standard Pump Express compatibile con gli smartphone che hanno i suoi processori.

• Pump Express+: varia l’intensità tra i 3-4,5A e il voltaggio in gradini di 5/7/9/12 volt.
• Pump Express 2.0: varia l’intensità tra i 3-4,5A e il voltaggio tra 5 e 20V aumentando in gradini da 0,5V.
• Pump Express 3.0 e 4.0: possono aumentare l’intensità fino a 5A e il voltaggio tra 3-6V in gradini da 10-20 mV, può fornire una potenza massima da 18W. È compatibile con lo standard USB Power Delivery.

Super FlashCharge di Vivo

La tecnologia Super FlashCharge della Vivo ha annunciato che fornirà fino a 120W di potenza e sarà capace, secondo l’azienda, di ricaricare uno smartphone con 4.000 mAh di batteria in soli 13 minuti. Se fosse così, diventerebbe il protocollo di ricarica rapida per smartphone più veloce del mercato.

La combinazione di lavoro è 20 volt e 6 ampere.

USB Power Delivery

L’USB Power Delivery o USB-PD è uno standard sviluppato nel 2012 dalla USB IF (organizzazione incaricata di sostenere e promuovere l’USB) e supera tutti gli altri standard. Ha delle caratteristiche impressionanti, perché ha vari profili di funzionamento e quello più potente può arrivare a fornire fino a 240W di potenza.

Riassunto

Come i vecchi standard USB non erano molto efficaci per ricaricare i nostri smartphone velocemente, i fabbricanti hanno implementato soluzioni proprie che sono più o meno compatibili tra di loro.

Per fortuna, l’arrivo dello standard USB-PD semplifica molto tutto perché offre una soluzione che possono implementare tutti i fabbricanti in modo gratuito (senza pagare licenze) e che permette raggiungere maggiori potenze.

Ora, vi lasciamo una tabella con gli standard di ricarica rapida ordinati per potenza massima.

Tecnologia	Puissance maximale
USB 1.0	2,5W
USB 2.0	2,5W
USB 3.0	4,5W
Qualcomm Quick Charge 1.0	10W
Qualcomm Quick Charge 2.0	18W
Qualcomm Quick Charge 3.0	18W
Adaptive Fast Charging (Samsung)	18W
PowerIQ 2.0 (Anker)	18W
Qualcomm Quick Charge 4	18W (27W tramite USB-C)
Qualcomm Quick Charge 4+	18W (27W tramite USB-C)
Fast Charge (Dash di OnePlus)	20W
Oppo VOOC	20W
MediaTek Pump Express 4.0	30W (6V x 5A)
Huawei SuperCharge	40W (8V x 5A)
Oppo Super VOOC	50W (10V x 5A)
OnePlus Fast Charge	50W (10 x 5A)
Meizu Super mCharge	55W (11V x 5A)
Samsung MM101	100W (20V x 5A)
Xiaomi Super Charge Turbo	100W (20V x 5A)
Vivo Super FlashCharge	120W (20V x 6A)
USB Power Delivery (USB 3.1 e USB 3.2)	240W