急速充電の仕組みと代表的な規格について

技術の進歩に伴い、携帯電話の進化は、より優れた機能を持つデバイスを私たちにもたらします。望ましい機能の中で、最も変化が少ないのはバッテリー容量ですが、それと引き換えに、より短時間で機器を充電するための新しい規格が登場したのです。これらの特徴を説明するために、急速充電の仕組みをわかりやすく解説していきます。

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充電規格は化学と物理が複雑に絡み合っており、それぞれに制約があり、互換性がないことも課題となっています。さらに悪いことに、携帯電話メーカーは充電技術に紛らわしいラベルを貼る傾向があります。

市場で最も人気のあるワイヤレス充電の規格を、最も基本的なレベルまで分解したガイドです。SamsungのAdaptive Fast Charge、USB-PD、QualcommのQuick Charge、OnePlusのWarp Chargeなど、必要な情報はすべてここにあります。

基本的なこと

Quick Chargeの仕組み

雑学に踏み込む前に、まずは基本的なことから。すべての携帯電話にはバッテリーが搭載されており、どのバッテリーもほぼ同じ方法で電力を供給しています。

プラスとマイナスの2つの電極と電解質からなる細胞は、化合物を新しい物質に変換する反応を触媒する。時間が経つと、イオン（電子が少なすぎる、または多すぎる原子）が形成され、電池の外側のマイナス端子に電子の流れを導き、細胞に電荷を供給するのです。

非二次電池では、これらの化学反応は一度だけしか起こらない。しかし、携帯電話の電源であるリチウムイオン二次電池では、その反応が可逆的である。電池を放電すると化学反応により電気が発生し、充電すると化学反応によりエネルギーが吸収される。

急速充電

電池の充放電の仕組みはすでに説明しましたが、急速充電の仕組みを理解するには、その機能に特化したIC（集積回路）である「チャージコントローラー」というものを知る必要があります。

余談ですが、話の流れでボルト、アンペア、ワットという表記が出てきますので、ここでおさらいしておきましょう。ボルトは電圧、アンプは電流、ワットは電力を表す指標である。

ボルトはホースの水圧、電流は流量、ワットはノズルから噴射される水量に相当し、庭のホースに例えるのが一般的だ。つまり、ボルト（V）×アンペア（A）＝ワット（W）である。

携帯電話の電池は、電流を流すと充電されます。大電流、高電圧になると充電速度が速くなるが、電池の許容量に限界がある。危険な電流スパイクから保護するチャージコントローラー（IC）を搭載。

コントローラーチップは、電池に出入りする電気の流れを全体的に制御します。一般的にリチウムイオンコントローラーは、電池セルの電流と電圧を測定し、そこに流れる電流を調整することで、充電する電流（アンペア）を設定します。

DC-DC（直流または直流）変換器を用いて入力電圧を変えるものもあり、より高度な集積回路では、充電器の入力とバッテリー端子間の抵抗を調整して電流の流れを増減させるものもある。

チャージコントローラーで処理する電流量は、通常、携帯電話のソフトウエアによって決定される。

USB充電規格

1990年代初頭のPalm Pilotをまだ使っている人以外は、携帯電話をUSBケーブルで充電していることでしょう。USBケーブルが比較的簡単に手に入るようになったことに加え、USBには「USB Power Delivery Specification（USB-PD）」という、実にしっかりとした充電規格があるのです。

USB Implementers Forumでは、対応するUSBの仕様ごとに数種類を規定しています。USB1.0、2.0、3.0/3.1/3.2、USB4。最初のバージョン（USB1.0と2.0）は、ますます希少になり、最近の携帯電話とは互換性がありません。USB3.0ポートは、デフォルトで5V/0.9A（4.5W）の出力が可能です。

しかし、物理的なUSB-CやUSB3.1（およびそれ以降のバージョン）にアップグレードすることで、USB-PDはまったく別の問題になりえます。技術的にはUSB2.0規格を搭載することが可能ですが、ほとんどのメーカーはUSB3.2やUSB4といった、より高い電圧を供給できる可能性のある最新規格を選択しています。

この2つの規格により、USB-PD仕様の最大充電出力はバージョン3.1時点で48V（240W）ですが、当面は20V/5A（100W）仕様の機器が主流となるようです。

携帯電話はまだそれほど大きな電力を消費しません。メーカーは低いアンペア数（3Aなど）を選ぶ傾向がありますが、MacBook ProやGoogle Chromebook PixelなどのUSB-Cノートパソコンには恩恵があります。

少しややこしいのは、充電のためにUSBポートから取り出した電力だけを扱う「バッテリー充電仕様」です。最新の仕様であるリビジョン1.2では、標準ダウンストリームポート（SDP）、充電用ダウンストリームポート（CDP）、充電専用ポート（DCP）という3種類の電源が定義されています。最近の携帯電話やノートパソコンなどのハードウェア（CDP）では、最大1.5Aまで供給できる仕様になっています。

完全に互換性のある携帯電話や充電器は、USB2.0とBC1.2の限界を尊重していますが、すべての携帯電話や充電器が互換性を持っているわけではありません。そのため、一般的に携帯電話の充電速度は常にデフォルトで最も遅いと言われています。

しかし、USBの仕様は独断と偏見に満ちたガイドラインです。クアルコムのQuick ChargeやサムスンのAdaptive Fast Chargingなどの急速充電規格は、USB仕様の電圧パラメータを超えることがありますが、これは意図的なものです。

急速充電器の規格：何が違うのか？

USB-PDは機器が必要とする分だけ電力を供給するため、同じUSB-PD充電器でも、携帯電話をフルスピードで充電しながら、ノートパソコンも同じように充電することができるのです。

USB-PDの規格はメーカーにより使い方が異なります。例えば、アップルやグーグルはこのような使い方をしています。

USB-PDによるApple社製急速充電

アドバンテージ

  • USB-PDは業界標準規格であり、対応する機器も増えています。

デメリット

  • Appleは、USB-PDに対応した充電器を多くの携帯電話に同梱していないため、これを利用するには数ドルの出費が必要です。

USB-PD（USB Power Delivery）規格は、USB Implementers Forum（USB-IF）が策定した規格で、どのメーカーもUSBポートを持つ機器に使用できる規格です。

最大100Wの出力に対応し、USB-Cポートを搭載していれば、携帯電話以外にも一部のノートパソコンなど、あらゆる機器で使用することが可能です。

USB-PDのメリットは他にもあります。電源の方向は一定ではないので、例えばポータブル充電器の中には、USB-Cポートを搭載して、他の機器の充電にもバッテリー本体の充電にも使えるものがありますね。

AppleのiPhoneは、iPhone 8からiPhone 12まで、iPad Proや12インチMacBook、GoogleのChromebook Pixel、LenovoのX1 Carbonと同じ業界標準であるUSB-PDを実装しています。USB-PDは特別なケーブルやアダプターを必要としないため、相互互換性があることが最大の特長です。

対応コンセント、ケーブル、アダプターについて

Appleは最近までUSB-CケーブルやアダプターをiPhoneの箱に同梱していなかったので、iPhoneのUSB-PD互換性を利用したい場合は、アクセサリーを購入する必要があります。また、USB-PDに対応したLightning - USB-Cケーブルを購入する必要があります。標準のLightningケーブルをUSB-C - USB-Aアダプターで使用すると、充電器はデフォルトで最も低いワット数になります。

Appleの推奨はこちらです。

  • 18W、20W、29W、30W、61W、87W、96W Apple USB-C電源アダプタです。

  • USB Power Delivery（USB-PD）に対応した同等のサードパーティ製USB-C電源アダプタ。

充電速度

どのUSB-C充電器を購入しても、iPhoneにハードコードされている安全制限に対応する必要があります。急速充電は、容量が0〜79パーセントのときに作動し、80パーセントになると停止します。

アクセサリーを購入するための余分な出費を気にしないのであれば、他の方法よりもはるかに高速な充電を得ることができます。iPhoneの急速充電は、USB-PDを使えば30分で0〜50%まで充電することができます。

USB-PDによるGoogle Fast Charge

メリット

  • 同じUSB-PDキットで複数のデバイスに対応します。

  • Googleは、高速充電ケーブルと充電器を同梱しています。

デメリット

  • 最高速度は他社製品に劣ります。

初代からPixel 4aまで、すべてのGoogle Pixelスマホは、USB-PD規格による最大18Wの高速有線充電に対応しています。特別な充電器やケーブルは必要ありません。

対応コンセント・ケーブル・アダプター

箱の中に入っている充電器とケーブルをPixel携帯電話に使用することで、最大限の充電速度を楽しむことができます。サードパーティ製のアクセサリーを選ぶ場合は、USB-C to USB 2.0の電源ケーブルとアダプターのいずれかを使用します。USB-C - USB-Aケーブルを使用した場合、どの電源アダプタに接続しても、Pixelの充電はより遅くなります。

充電速度

Pixel携帯は、ゼロから80％程度までは急速充電が可能ですが、それを超えると速度が低下します。ほとんどの携帯電話で同じような制限を受けることになります。

付属の18Wケーブルとアダプター、または同等以上の定格を持つまともなサードパーティ製アダプターを使えば、15分の充電で7時間の使用が可能です。

クアルコム・クイックチャージ

メリット

  • 最も広く導入されている充電規格の一つです。

  • Quick Chargeの旧バージョンに対応。

  • 過熱や短絡を防ぐ安全機能を内蔵しています。

デメリット

  • Quick Charge 3.0は、USB-PDには対応していません。

Qualcomm Quick Chargeを実現するチップの製造元は、市場で最も広く実装されている充電規格の1つです。それは間違いではなく、Snapdragon 855、845、835、820、620、618、617、430など、クアルコムのシステムオンチップテクノロジーのオプション機能として搭載されているのです。

それこそ、Samsung Galaxy S10やGoogle Pixel 3、LG V40 ThinQといったスマホと連携しています。しかし、この技術はクアルコムのSnapdragonプロセッサに縛られるものではなく、どの携帯電話メーカーもQuick Chargeの電源コントローラ技術を自由にライセンスすることができます。

技術仕様と対応アダプター

Quick Chargeは、充電電圧を上げることで電力を増加させ、急速充電を実現します。2020年7月に発表されたQuick Charge 5は、シリーズの最新規格で、5分間でスマホを50%まで充電できることを約束しています。

現在、対応機種はSamsung Galaxy S20など最近の機種に限られていますが、Quick Charge 4.0+の対応機種は増えつつあります。LG G8 ThinQ、Razer Phone 2、Xiaomi Mi Mix 3などのスマホに搭載されており、最大27Wの電力を供給することが可能です。

Quick Charge 4以降のバージョンでは、USB-PD充電器との互換性が追加されていますが、Quick Charge 3.0以前のバージョンでは、Quick Charge認証されたアクセサリのみ使用可能です。しかし、Quick Chargeの普及により、多くの選択肢から選ぶことができるようになりました。クアルコムのホームページには、その一部が掲載されています。

充電速度

クアルコムは、Quick Charge 5は15分で携帯電話をフル充電し、わずか5分で携帯電話を50%にすることができると主張しています。Quick Charge 4+のテストでは、Razer Phone 2の4,000mAhの大容量バッテリーを1時間強で18%から90%まで充電することができました。

安全機能

Quick Chargeのスマートサーマルバランシングは、最も低温の経路で電流を移動させ、デバイスのセンサーがケースとコネクタの温度を監視して過熱とショートを防止します。

Samsung Super Fast ChargeとAdaptive Quick Chargeについて

メリット

  • サムスン電子の全機種に搭載されています。

  • Quick Charge 2.0に対応したAdaptive Fast ChargeとUSB PDに対応したSuper Fast Chargeに対応しています。

短所

  • 保守的な傾向がある。

サムスンのアダプティブファストチャージは、Galaxy端末専用です。Quick Chargeなどの競合高速規格とは異なり、サムスン電子の海外モデルに搭載されているシステムオンチップ、Exynosと完全な互換性を持っています。

サムスンは、「Samsung Galaxy S10 5G」で超高速充電を導入しました。4,500mAhのバッテリーを搭載し、充電規格「USB Power Delivery 3.0 PPS（プログラマブル・パワー・サプライ）」による最大25Wの充電に対応した端末です。

Samsung Galaxy Note 10 Plusは、Super Fast Charging 2.0（S20やNote 20などの後続モデルも同様）を使用して、さらに高速な充電を実現しています。しかし、その最速充電を実現するためには、45Wを発生させるために10V、4.5Aという異例の規格の専用アダプターが必要で、そのためには5Aのケーブルも必要です。

技術仕様と対応アダプター

サムスンのAdaptive Fast Chargeは理論ピーク9V/2A（18W）、Super Fast Chargeはトラベルアダプター接続時10V/4.5A（45W）、通常充電器接続時25Wとなります。

どちらの規格も、実際にはもう少し保守的な傾向があります。どちらの高速化も利用するには、認証された充電器を購入する必要がありますが、ほとんどのサムスン電子はQuick ChargeやPPS対応アクセサリーをサポートしています。

充電速度

SamsungはAdaptive Quick ChargeとSuper Fast Chargeの充電時間を公表していません。しかし、我々のテストでは、3,000mAhのバッテリーを搭載したGalaxy S8は、フル充電に約2時間かかりました。Note 10 Plusは、超高速充電規格でフル充電するのに約1時間かかりました。

安全対策

Adaptive Fast Chargingの技術的な統計はなかなか出てきませんが、逸話的には保守的な面もあります。XDAの急速充電規格の詳細な分析によると、Galaxy S8 Plusは市販の急速充電フラッグシップ機の中で最も低温を維持します。

モトローラ TurboPower

メリット

  • モトローラの全機種に搭載。

  • Quick Charge 3.0に対応。

デメリット

  • 一部の充電規格に比べれば、高速ではありません。

Quick Charge 3.0を改良したモトローラのTurboPower規格は、Moto G Power 2021などのモトローラ製デバイスに搭載されています。

技術仕様と対応アダプター

TurboPowerアダプターには、3つのバージョンがあります。TurboPower 15、TurboPower 25、TurboPower 30の3種類で、最も高速なTurboPower 30は5V、最大5.7A、約28.5Wの電力を供給します。

TurboPowerは単なる充電器ではありません。モトローラは、メーカーと協力してカスタムバッテリーを設計し、電源管理ソフトウェアがバッテリーの健康状態とステータスを監視し、それに応じて入力される充電を調整すると述べている。

Samsung Adaptive Fast Chargeと同様に、TurboPowerを搭載した携帯電話を急速充電する際にTurboPowerアダプターは必要ありません。モトローラの充電規格は、Quick Charge 3.0（またはそれ以降）のアダプターに対応しています。

充電速度

モトローラは、TurboPower 30が15分で最大15時間のバッテリー駆動を実現するとしています。

安全機能

TurboPowerの熱管理ハードウェアは、熱による充電の減速を防ぎ、高速で安定した充電速度を維持するように設計されているとモトローラは述べています。

OnePlus Warp ChargeとOppo VOOCを紹介します。

アドバンテージ

  • 携帯電話をより冷たく保つことができます。

  • 最速充電規格の一つ。

  • 対応機種に付属のアダプターを使用します。

デメリット

  • 高度に独自化された

中国・深センに拠点を置くOnePlusは、OppoからWarp Charge（当初の名称はDash Charge）のライセンス供与を受けています。これはOppoのVOOC（多段階開放電圧定電流充電）システムをベースにしており、OnePlus 6TやOnePlus 3までのすべてのOnePlusスマホの主要機能です。 Oppoはさらに高速なスーパーVOOCも開発していますが、Oppo RX17 Proなど一部のスマホにしか搭載していません。

技術仕様と対応アダプター

ワープチャージは、アンペア数をリアルタイムに調整する特殊なウォールアダプターを使用します。マイクロコントローラーが充電レベルを監視し、携帯電話の回路と同期して電圧と電流を調整し、カスタム設計のケーブルが電力変動を最小限に抑えながら大電流を供給します。

すべてプロプライエタリです。Warp ChargeはOnePlusの携帯電話と対応する壁掛けアダプターおよびカーチャージャーのみで使用できます。Warp Chargeの認定を受けた外部バッテリーは入手が困難で、OnePlusの急速充電規格は標準的なUSBケーブルでは動作しません。

しかし、OnePlusの携帯電話を購入すれば、これ以上お金を出す必要はありません。すべてのOnePlus携帯電話には、Warp Charge対応の壁掛けアダプターおよび充電ケーブルが付属しています。

充電速度

OnePlus 9 Proを31分でゼロから100％まで充電し、Warp Chargeが非常に効果的であることを証明しました。Oppoは、VOOC対応携帯電話を30分で75%まで充電できるとしています。Oppo RX17 ProでSuper VOOCシステムを充電したところ、わずか10分で0から40%になりました。

安全対策

ワープチャージは、熱を素早く逃がすように設計されています。充電器はアダプターの電源の高電圧を低電圧に変換するため、変換による熱のほとんどは携帯電話に到達せず、定電流によりサーマルスロットリングの可能性を低減することができます。

また、Warp Charge対応機器では、放熱・熱対策ハードウェアが5段階の徹底した安全チェックを受けています。

Huawei SuperCharge

メリット

  • USB-PD対応。

  • セキュリティ対策は万全です。

  • 対応機種に付属のアダプターを使用します。

デメリット

  • 一部の規格に比べ遅い可能性があります。

中国のスマホメーカー、ファーウェイの独自充電規格であるSuperChargeは、Huawei P40 Pro、Huawei P30 Pro、Huawei Mate 20 Pro、Huawei P10といったスマホに内蔵されています。平均より高い電圧を使って高速充電を実現するという点ではQuick Chargeと同じですが、見た目だけでなく、ちょっとした工夫がされています。

技術仕様と対応アダプター

SuperChargeは、携帯電話のバッテリーの状態や携帯電話の内部温度に基づいて、入力される壁の電圧と電流を自動的に適応させます。旧来のSuperCharge対応の壁掛けアダプターや車載充電器は、5V/2A、4.5V/5A、5V/4.5A（最大22.5W）の3つの充電モードに対応し、充電器内のチップセットで電圧を調整するため、携帯電話で発熱する電圧変換は必要ない。最新版では10V/4Aで最大40Wまで対応。

Pump ExpressやDash Chargeなどの独自充電規格とは異なり、SuperchargeはUSB-PDに対応しています。これはHuaweiのスマート充電プロトコルによるもので、どの充電アダプターが接続されているかによって充電モードをインテリジェントに切り替えます。

HuaweiのSuperChargeテクノロジーを利用するには、対応するウォールアダプターを購入する必要がありますが、QualcommのQuick Charge規格のネイティブサポートにより、SuperCharge対応デバイスであればQuick Chargeを利用することが可能です。SuperCharge対応携帯電話には、対応する壁掛けアダプターが付属しています。

充電速度

Huaweiの最新の充電器は、まだリリースされていませんが、最大135WのSuperChargeの速度をサポートすると主張しており、Huaweiは、約44W以上のものを取ることができる携帯電話を生産していません。

セキュリティ対策

スーパーチャージ機能は、スマートチャージとともに、ファーウェイ製端末で利用可能です。使用中の充電器を読み取って、最適な容量を判断できるユニークなツールです。そこから、ツールは必要に応じて充電器の電圧を変更することができます。

スーパーチャージは、大電流を慎重に制御するための特別な設計が施されています。その中には、8つの冷却システムと、他の充電方法よりも5℃低い温度を保つことができるコーティングが含まれています。

Huawei Superchargeデバイスは長持ちするように設計されており、製品が厳格な安全および性能基準を満たすように徹底的にテストされています。同社は、過酷な条件下で製品を長期にわたって観察するため、1年間のトライアルでデバイスをテストします。

高速充電の未来

今年一番の控えめな表現ですが、技術はどんどん進化しています。急速充電器はまもなく世界標準になり、おそらく今後数年で徐々に平均的な充電器に取って代わることは間違いないでしょう。

集積回路、充電コントローラー、アダプター、ケーブルの爆発的な発展により、数時間かかっていた携帯電話の充電が数分でできるようになる日も近い。最近、初期型の急速充電器は、機器の携帯性を高め、急速充電を約束するものとして人気を集めています。

この技術が進化し、より身近なものになるにつれ、急速充電は製造とともに成長し、より良くなっていくことでしょう。XiaomiのHyperChargeテクノロジーは4,000mAhのバッテリーを8分で充電できると主張するなど、現在のプロトタイプは驚くべき速度を誇っていますが、新しい規格が完全に開発されて市場に現れると、より多くのことが分かるようになります。

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