Lehnt Apple PPS ab? Tiefgehende Analyse: Warum ist die dynamische Schnellladung des iPhone 17 noch stärker?

Seit vielen Jahren ist die „Ladegeschwindigkeit“ ein ständiges Ärgernis für iPhone-Benutzer und ein Anlass zur Freude für die Android-Szene, die sich gerne ihrer „deutlichen Überlegenheit“ schmeichelt. Während ein Android-Smartphone neben Ihnen in einem Café binnen zwanzig Minuten aufgeladen ist und danach noch einen halben Tag durchhält, müssen iPhone-Benutzer ratlos auf die schleppend ansteigende Batterieanzeige warten.

Im schnellen Rhythmus des modernen Lebens kann das Gefühl der Sicherheit, das ein „Schnellladevorgang“ in den letzten zehn Minuten vor der Abreise bietet, von keinem anderen aufwendigen Funktionsumfang ersetzt werden.

Dennoch scheint die „40-W-Dynamische Stromversorgung (max. 60 W)“, die zusammen mit der iPhone 17-Serie auf der Vorstellung am 10. September auf den Markt kam, das Ende dieser langen Wartezeit zu markieren. In der Pressemitteilung von Apple heißt es, dass das neue iPhone 17 bereits in 20 Minuten zu 50 % aufgeladen werden kann.

Der Schlüssel zu diesem Sprung liegt nicht einfach in der Erhöhung der Leistung (Apple hat ja bereits 2021 ein 140-W-Ladegerät auf den Markt gebracht), sondern in einer unbedeutenden Protokollabkürzung auf dem Bild des Ladegeräts: AVS (Adjustable Voltage Supply, einstellbare Spannungsversorgung).

Genauer gesagt, SPR AVS (Standard Power Range Adjustable Voltage Supply, einstellbare Spannungsversorgung im Standardleistungsbereich).

Bild | Apple-Website

SPR AVS ist ein neues Protokoll, das erst im USB PD 3.2-Standard Ende 2024 eingeführt wurde.

Warum hat Apple in einer Zeit, in der die Android-Hersteller weitgehend das bereits gut etablierte PPS-Protokoll nutzen, eine völlig andere offene Technologie gewählt?

Hier hinterstehen Überlegungen zu Effizienz, Sicherheit und zukünftigem Ökosystem. Dies markiert auch den Beginn einer tiefgreifenden Veränderung der Schnellladetechnologie im gesamten Verbrauchselektronikbereich.

I. Der „Hitzefaktor“ der Schnellladung

Um Apples Entscheidung zu verstehen, muss man zunächst das physikalische Problem verstehen, das allen Smartphone-Schnellladungen gemein ist - die Hitzeentwicklung.

Seit langem basiert das Schnellladeverfahren von Apple-Geräten, einschließlich des iPhone 16, auf dem Modell „Festspannungsladung + sekundäre Spannungsreduzierung im Gerät“.

Man kann sich das wie folgt vorstellen: Das Ladegerät ist wie ein Hochbehälter, der mit einer festen hohen „Wasserspiegelhöhe“ (z. B. 15 V) in das Smartphone „gießt“. Der interne Power Management Chip (PMIC) im Smartphone ist wie ein komplexes Ventil- und Rohrsystem, das diesen Hochspannungsstrom schrittweise reduzieren und in einen Niederspannungsstrom umwandeln muss, den die Batterie „aufnehmen“ kann (z. B. 4,2 V).

Das Problem liegt im „Umwandlungsschritt“. Laut dem Energieerhaltungssatz ist jede Spannungswandlung nicht verlustfrei. Ein Teil der Energie wird immer in Form von Wärme verloren. Je höher die Ladeleistung, desto mehr Energie muss umgewandelt werden, und desto stärker wird das Smartphone innen heiß. Das ist wie ein starker Wasserstrom, der die Ventile und Rohre stärker erhitzt.

Was noch wichtiger ist, ist dass die Lithium-Ionen-Batterie selbst während des Ladevorgangs aufgrund der internen elektrochemischen Reaktion eine Wärmequelle ist. Wenn die Wärme, die durch die interne Spannungsumwandlung verloren geht, und die Wärme, die die Batterie beim Laden erzeugt, in dem kleinen, geschlossenen Raum des Smartphones zusammenkommen, steigt die Temperatur schnell an. Um die chemische Aktivität der Batterie zu schützen, ihre Lebensdauer zu verlängern und die Sicherheit des Benutzers zu gewährleisten, greift das Temperatursystem des Smartphones sofort ein und zwingt die Ladegeschwindigkeit, sich zu verlangsamen.

- Dies ist der Grund, warum die „Spitzen-Schnellladung“ vieler Geräte nur wenige Minuten bis maximal ein paar Zehn Minuten anhält, bevor die Leistung stark abfällt.

Nur zur Veranschaulichung. Bild | ChargerHeadNetwork

Hier kann man sich das Beispiel der Elektromobilität als Vergleich heranziehen. Warum hat ein Haushaltswechselstrom-Ladegerät nur eine Leistung von einigen Kilowatt bis maximal ein paar Zehn Kilowatt, während ein öffentliches Gleichstrom-Schnellladegerät mehrere hundert Kilowatt erreichen kann? Der Kernunterschied liegt darin, dass das Gleichstrom-Schnellladegerät das sperrige und stark wärmeentwickelnde Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlungsmodul außerhalb des Fahrzeugs platziert und direkt in die Batterie „speist“.

Das gleiche Prinzip gilt auch für Smartphone-Schnellladungen: Indem man die Spannungswandlung, die die Hauptursache für die Hitzeentwicklung ist, möglichst weitgehend aus dem Smartphone in das Ladegerät verlagert, wird die Hitzeentwicklung im Smartphone deutlich reduziert, und die Batterie kann über einen längeren Zeitraum eine höhere Ladeleistung aushalten.

II. Der „Schnellfahrstreifen“ der Android-Szene: Ein unvollkommener Ausweg

Angesichts des gleichen Problems haben die Hersteller der Android-Szene bereits Lösungen gefunden. Ihre Super-Schnellladetechnologien mit Leistungen von über hundert Watt basieren genau auf dem obigen Prinzip „Das Ladegerät übernimmt mehr Arbeit, das Smartphone entwickelt weniger Hitze“. Um dieses Prinzip umzusetzen, setzen die Android-Hersteller hauptsächlich drei Ansätze ein: Private Protokolle, das PPS-Protokoll und das UFCS-Protokoll.

a) Private Protokolle: Diese werden von den einzelnen Herstellern eigens entwickelt und haben die besten Ergebnisse, aber das Ökosystem ist geschlossen, und die Kompatibilität ist schlecht, was viel Kritik auf sich zieht. Wenn man ein 100-W-Ladegerät einer Marke A an ein Smartphone der Marke B anschließt, kann die Leistung plötzlich auf nur wenige Watt sinken.

b) PPS (Programmable Power Supply), also ein programmierbares Stromversorgungssystem, ist ein optionaler Standard, der im USB-PD 3.0-Spezifikationsdokument eingeführt wurde. Es ermöglicht eine feinere Regelung von Spannung und Strom zwischen Ladegerät und Smartphone, wodurch die interne Spannungsreduzierung im Smartphone verringert wird.

c) UFCS (Universal Fast Charging Specification), also die universelle Schnellladetechnologie, ist ein chinesischer Schnellladestandard, dessen Konzept dem des PPS-Protokolls ähnelt.

Aufgrund seiner Offenheit und guten Leistung ist das PPS-Protokoll schnell zum am weitesten verbreiteten Standard für die Schnellladung in der Android-Szene geworden. Selbst einige chinesische Smartphones können mit PPS-Schnellladung nahezu 100 W erreichen. Warum hat Apple dann nicht einfach dieses etablierte und weitgehend unterstützte Protokoll übernommen?

Die Antwort ist, dass Apple zwei „Schwächen“ hinter der glänzenden Fassade des PPS-Protokolls erkannt hat. Dies ist nicht einfach eine technische Entscheidung, sondern es handelt sich um Designbeschränkungen aus vergangenen Zeiten, die fundamental im Widerspruch zu Apples unkompromissabler Ingenieurphilosophie stehen.

1. Übermäßig idealistische Genauigkeit: Die „Pseudowissenschaft“ des 20-mV-Schritts

Das PPS-Protokoll legt einen Spannungsschritt von 20 mV und einen Stromschritt von 50 mA fest. Diese Genauigkeit klingt in der Theorie gut, aber in der realen Welt ist sie nahezu unmöglich umzusetzen.

Eine normale USB-C-Kabel hat bereits einen Leitungsverlust von leicht über 20 mV. Hinzu kommen die Spannungsschwankungen des Ladegeräts selbst, die Spannungsdrift bei verschiedenen Umgebungstemperaturen, der Kontaktwiderstand der Schnittstellen und sogar Verschmutzungen an den Schnittstellen. Jeder dieser Faktoren kann einen elektrischen Fehler von mehr als 20 mV verursachen.

Es ist wie wenn man versucht, die Länge einer Katze mit einer Schieblehre zu messen. Selbst wenn die Skala sehr fein ist, ist es sinnlos.

2. Die unverständliche Leistungsbegrenzung: Der „Leistungseinbruch“ bei Niederspannung

Dies ist der fatale und am wenigsten intuitiv ersichtliche Designfehler des PPS-Protokolls. Es führt das Konzept einer „Maximalleistung“ ein, die jedoch nicht bei allen Spannungen konstant ist. Die Maximalleistung des PPS ist einfach das Produkt aus maximalem Strom und maximaler Spannung, und die Begrenzungen für Strom und Spannung gelten gleichzeitig.

Nehmen wir als Beispiel ein PPS-Ladegerät mit einer Nennleistung von 45 W. Die Leistung wird als 21 V/2,15 A (21 V × 2,15 A ~ 45 W) angegeben. Wenn die Batterie Ihres Smartphones fast leer ist und sich am Anfang des Ladevorgangs befindet (z. B. hat die Batterie eine Spannung von 3,6 V und benötigt eine Eingangsspannung von 10,8 V), würden Sie vielleicht erwarten, dass das Ladegerät eine volle Leistung von 10,8 V × 4,15 A ~ 45 W liefert. Aufgrund der Beschränkungen des PPS-Protokolls ist der maximale Strom, den das Ladegerät liefern kann, jedoch immer noch auf 2,15 A begrenzt. Somit erhalten Sie tatsächlich nur eine maximale Leistung von 10,8 V × 2,15 A = 23,22 W - die Leistung wird halbiert!

Dieses Modell „Nur bei hoher Spannung hohe Leistung“ führt zu einem enormen Leistungsverlust und widerspricht dem Grundsatz der Schnellladung, in kürzester Zeit möglichst viel Energie in die Batterie zu laden.

Obwohl die Hochspannung mit niedrigem Strom ein etablierter Technologieansatz ist, gibt es auch die wichtige Alternative der Niederspannung mit hohem Strom. Das Design des PPS-Protokolls ist offensichtlich nicht für letzteren geeignet und fehlt an Allgemeingültigkeit. Ein Protokoll und Standard, der Vorurteile gegenüber bestimmten Technologieansätzen aufweist, wird natürlich nicht zur Lösung praktischer Probleme eingesetzt.

Tatsächlich sind die privaten Protokolle einiger chinesischer Smartphonehersteller eine Notlösung, da es schwierig ist, die Niederspannung mit hohem Strom mit PPS umzusetzen.

- Genau diese beiden Kernprobleme haben Apple, das auf eine erstklassige und zuverlässige Benutzererfahrung setzt, schließlich dazu bewogen, das PPS-Protokoll zu verlassen. Apple braucht keine Lösung, die auf Papier gut aussieht, aber in der Praxis mit Kompromissen und Unsicherheiten verbunden ist.

Bild | WHYLAB

III. SPR AVS: Der von Apple unterstützte nächste Lade-Standard

Statt des PPS-Protokolls hat Apple eine bessere Lösung gewählt: SPR AVS (Standard Power Range Adjustable Voltage Supply), eine einstellbare Spannungsversorgung.

AVS ist nicht aus dem Nichts entstanden. Es wurde ursprünglich im PD 3.1 EPR (Extended Power Range, erweitertes Leistungsband) für Hochleistungsgeräte wie Laptops entwickelt und kann eine maximale Leistung von 48 V × 5 A = 240 W liefern.

Das 16-Zoll MacBook Pro von Apple war das erste kommerzielle Produkt, das AVS einsetzte. Das SPR AVS, das das iPhone 17 unterstützt, ist ein Teil des neuesten USB-IF USB PD 3.2-Standards, der diese fortschrittliche Spannungsregeltechnologie auf den Standardleistungsbereich unter 100 W ausdehnt.

Bild | Zuckerfabrik

Im Vergleich zum PPS-Protokoll ist das Design von AVS realistischer und effizienter und löst alle Probleme des PPS-Protokolls.

Außerdem ermöglicht es als Erweiterung des Standards SDC (Software-Defined Charger, softwaredefiniertes Ladegerät)-Produkten, sofort über ein Protokollupdate die Unterstützung des neuen Protokolls zu erhalten.

1. Realistische Genauigkeit: 100-mV-Schritt

AVS verzichtet auf die unrealistische 20-mV-Genauigkeit und setzt stattdessen einen 100-mV-Spannungsschritt ein. Diese Genauigkeit ist „just right“: Sie ist einerseits fein genug, um die Ausgangsspannung des Ladegeräts optimal an die momentane Batteriespannung anzupassen (normalerweise wird dies in Kombination mit einem internen Ladepumpen-Chip im Smartphone mit einer 2:1- oder 3:1-Spannungsreduzierung erreicht), um so die interne Hitzeentwicklung im Smartphone zu minimieren. And