USB電池充電基礎(chǔ)：應(yīng)急指南

USB電源最有用的一個功能是能夠為便攜裝置的電池充電。但是，無論是USB電源還是其它電源，電池充電都不僅僅是從電源取電這樣簡單。對于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設(shè)計合理的充電器可以優(yōu)化安全性并增強用戶體驗，同時它還降低了退貨、維修擔(dān)保等風(fēng)險，進而降低成本。通過USB為電池充電需要權(quán)衡電池“維護和保養(yǎng)”，考慮USB功率限制以及便攜式消費產(chǎn)品設(shè)計中存在的體積和成本問題。本文討論了如何在這些因素中達(dá)到最佳平衡。

引言

USB為便攜設(shè)備供電與其串行通信功能一樣，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。如今，USB供電已經(jīng)擴展到電池充電、交流適配器及其它供電形式的應(yīng)用。應(yīng)用的普及帶來的一個顯著效果是便攜設(shè)備的充電和供電可以互換插頭和適配器。因此，相對于過去每種裝置都采用專用適配器的架構(gòu)相比，目前的解決方案允許采用多種電源進行充電。

毋庸置疑，USB電源的最大用途是能夠為便攜產(chǎn)品的電池充電。但是，無論是USB電源還是其它電源，電池充電都不僅僅是從電源取電這樣簡單。對于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設(shè)計合理的充電器可以優(yōu)化安全性并增強用戶體驗，同時它還降低了退貨、維修擔(dān)保等風(fēng)險，進而降低成本。

通過USB為電池充電需要權(quán)衡電池“維護和保養(yǎng)”，考慮USB功率限制以及便攜式消費產(chǎn)品設(shè)計中存在的體積和成本問題。本文討論了如何在這些因素中達(dá)到最佳平衡。
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供電端口

USB規(guī)范已經(jīng)經(jīng)歷了幾代電源管理技術(shù)。最初的USB 1和USB 2.0規(guī)范規(guī)定了兩種類型的電源(分別是5V 500mA和5V 100mA)，為所連接的設(shè)備供電。這些規(guī)范并非針對電池充電，而是用于小型外設(shè)供電，例如麥克風(fēng)和鍵盤。但這并不妨礙設(shè)計人員設(shè)計出自己的USB電池充電裝置。然而，如果沒有統(tǒng)一指導(dǎo)，不同裝置和充電器之間的互操作性就得不到保證。這種限制促使近期開發(fā)了USB規(guī)范補充說明：電池充電規(guī)范，1.1版，4/15/2009 (BC1.1)1，補充了充電知識和電源說明，最大電源電流可達(dá)1.5A。盡管標(biāo)題為“電池充電規(guī)范”，但該文件幾乎沒有包括關(guān)于充電電池指標(biāo)的任何信息，只是規(guī)定了應(yīng)該從USB端口吸收多大功率充電。實際充電方法依然會留給設(shè)計人員。

在BC1.1之前，所有USB電源端口在有效工作(即USB術(shù)語中的“非掛起”模式)時，歸為“低功率”(100mA)或“大功率”(500mA)。任何端口也可以“掛起”，意味著接近關(guān)閉，但仍可提供2.5mA電流。對于大多數(shù)設(shè)備，PC、筆記本電腦或供電集線器(供電集線器是一種USB中斷盒，利用自身的墻上適配器電源提供總線供電)端口為“大功率”，除了上行USB主機提供的電源外，不接收其它電源的集線器端口被認(rèn)為是“低功率”。插入裝置后，最初允許吸收最大100mA的電流，同時進行枚舉并與主機協(xié)商其電流預(yù)算。隨后，可能允許吸收高達(dá)500mA的電流，或者是保持在100mA。在USB串行總線規(guī)范2.0版的第7.2.1.4部分對此進行了詳細(xì)規(guī)定。

BC1.1的內(nèi)容超出了USB 2.0規(guī)定的電源分配，它定義了更多用于充電的電源。主要有三種不同類型的電源：

1. 標(biāo)準(zhǔn)下行端口(SDP)這與USB 2.0規(guī)范定義的端口相同，也是臺式機和筆記本電腦常見的典型端口。掛起時，最大負(fù)載電流為2.5mA；連接且非掛起狀態(tài)下為100mA，可以配置電流為500mA (最大)。設(shè)備可利用硬件識別SDP，USB數(shù)據(jù)線D+和D-分別通過15kΩ接地，但仍然需要枚舉，以符合USB規(guī)范。盡管現(xiàn)在許多硬件不經(jīng)枚舉即消耗功率，但在USB 2.0規(guī)范中，從嚴(yán)格意義上并不合法，違反規(guī)范要求。
   
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2. 充電下行端口(CDP) BC1.1為PC、筆記本電腦及其它硬件規(guī)定了這種較大電流的新型USB口?，F(xiàn)在，CDP可提供高達(dá)1.5A電流，由于可在枚舉之前提供電流，所以有別于USB 2.0。插入CDP的裝置可通過操縱和監(jiān)測D+、D-線，從而利用硬件握手識別CDP (參見USB電池充電規(guī)范第3.2.3部分)。在將數(shù)據(jù)線轉(zhuǎn)為USB收發(fā)之前進行硬件測試，這樣就能夠在枚舉之前檢測到CDP (以及開始充電)。
   
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3. 專用充電端口(DCP) BC1.1規(guī)定了不進行枚舉的電源，例如墻上適配器電源和汽車適配器，不需要數(shù)字通信即可啟動充電。DCP可提供高達(dá)1.5A電流，通過短路D+和D-進行識別，從而能夠設(shè)計DCP“墻上適配器電源”，采用USB mini或微型插孔，而非圓形插頭或自制連接器的固定安裝線。這樣的適配器可采用任意USB電纜(配備正確插頭)進行充電。

USB電池充電規(guī)范，1.1版，4/15/2009中對這些接口類型進行了詳細(xì)規(guī)定。
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電源類型檢測

對于連接到任意USB插孔并利用該電源工作或為電池充電的裝置，需要了解吸收多大的電流合適。如果從只能提供500mA的電源試圖吸收1A電流，這種措施并不妥當(dāng)。USB接口出現(xiàn)過載時很可能導(dǎo)致關(guān)斷、燒毀保險絲或觸發(fā)自恢復(fù)保險絲動作。即使具有自恢復(fù)保護，也只能在拔出設(shè)備并重新連接后才能重新啟動。在保護措施不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕涌谠O(shè)計中，接口過載會造成整個系統(tǒng)復(fù)位。

便攜設(shè)計可以選擇適當(dāng)方法管理接口檢測，可以兼容于BC1.1、只兼容USB 2.0或根本不兼容。如果完全兼容于BC1.1，則必須能夠檢測所有類型的USB電源并限制其電流，包括合法的USB 1和2.0接口。如果兼容2.0，將在枚舉后從SDP充電，但可能不能識別CDP和DCP。若不能識別CDP，它仍然能夠充電并保持兼容，但只能在枚舉后進行，與SDP方式相同。其它部分兼容和不兼容標(biāo)準(zhǔn)的充電方法將在隨后討論。

器件可利用自身軟件檢測接口，或采用獨立于系統(tǒng)資源、通過USB D+和D-數(shù)據(jù)線之間的互動進行檢測的接口IC。這些功能設(shè)計的劃分具體取決于系統(tǒng)架構(gòu)。例如，已經(jīng)采用微控制器或?qū)Ｓ肐C管理電源的設(shè)備，可能更傾向于使用IC進行端口檢測和電流選擇。由于這些設(shè)備能夠通過USB連接主機并進行通信，可根據(jù)枚舉和配置結(jié)果選擇充電。這些選擇可以由應(yīng)用處理器控制，或者是由負(fù)責(zé)電源管理及其它系統(tǒng)功能的獨立微控制器控制。系統(tǒng)檢測端口類型、枚舉，并向充電器發(fā)送相應(yīng)指令。充電器負(fù)責(zé)處理充電的硬件和安全事項，具有內(nèi)置門限，使系統(tǒng)不會損害電池(圖1)。


圖1. 無枚舉充電器。USB收發(fā)器和微處理器處理USB枚舉，然后微控制器將電池充電器設(shè)置在正確的參數(shù)。

不同的設(shè)備設(shè)計可能不通過USB通信，或不希望專用系統(tǒng)軟件管理USB充電，而僅僅是采用USB端口供電。這種方式避免了設(shè)計復(fù)雜性，或者無需擔(dān)心軟件故障所造成的充電失效。由于系統(tǒng)不進行枚舉，最好的充電選擇是自枚舉充電器IC。充電器負(fù)責(zé)端口檢測并選擇合適的USB負(fù)載電流門限，無需系統(tǒng)介入(圖2)。


圖2. 自枚舉充電器直接連接至USB數(shù)據(jù)線，使得簡單系統(tǒng)能夠完全利用USB充電，無需占用USB收發(fā)器或微處理器資源。
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USB連接術(shù)語

這里，我們有必要介紹一下部分USB術(shù)語，包括“插入”、“連接”、“枚舉”和“配置”。

插入：插入USB電纜的物理過程。
連接：設(shè)備將1.5kΩ上拉電阻連接至D+或D-數(shù)據(jù)線時(剛插入)。
枚舉：設(shè)備和主機之間交換初始數(shù)據(jù)，識別設(shè)備類型。
配置：設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

在USB 2.0中，設(shè)備進行枚舉和配置期間需要了解USB端口可源出多大電流。枚舉和配置需要設(shè)備與主機之間進行數(shù)字通信。BC1.1擴展了USB規(guī)范，除USB 2.0選項外，BC1.1還允許利用“啞”操作確定端口類型，所以，有些端口無需枚舉即可充電。
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端口檢測和自枚舉充電器

MAX8895判斷如何使用所提供的輸入電源，與系統(tǒng)評估電源無關(guān)。充電器自動確定適配器類型，能夠區(qū)分以下類型：

1. DCP：500mA至1.5A
2. CDP (主機或集線器)：高速充電時達(dá)到900mA (啁啾期間為580mA)；低速和快速為1.5A
3. 低功率SDP (主機或集線器)：100mA
4. 大功率SDP (主機或集線器)：500mA

所提供的電流支持電池充電或系統(tǒng)供電，或在它們之間進行分配。如果在長達(dá)10ms內(nèi)未檢測到總線流量，內(nèi)置掛起定時器自動觸發(fā)掛起。

除了自動優(yōu)化來自USB及適配器電源的電流外，MAX8895還巧妙處理適配器、USB供電和電池供電之間的轉(zhuǎn)換；允許系統(tǒng)在必要時利用所有能夠利用的輸入電源(圖3)。施加電源時，電池耗盡或沒有電池同樣可以保持工作。集成了所有功率控制MOSFET，無需外部二極管。熱調(diào)節(jié)環(huán)路在極限溫度下自動降地充電電流，以降低管芯溫度。


圖3. MAX8895充電器自枚舉，根據(jù)所連接電源的類型優(yōu)化設(shè)置充電電流。即使是深度放電的電池，也能維持系統(tǒng)工作。
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增加端口檢測

BC1.1規(guī)定了檢測端口類型的硬件方法。預(yù)計采用集成電路實現(xiàn)這一功能，如圖2中的MAX8895，或在USB收發(fā)器中包括該電路。盡管如此，有些時候的首選方案依然是為現(xiàn)有充電器增加端口檢測功能，至少包含其中部分功能。圖4所示電路為一種基本的USB充電器檢測方法，受系統(tǒng)微控制器控制工作。這種方法可檢測DCP，但是不能區(qū)分SDP和CDP。它把兩者均作為SDP，這就意味著有些情況下會喪失從CDP吸收更大充電電流的機會。在預(yù)算較低的設(shè)計中，這一缺陷是可接受的。


圖4. 高速USB開關(guān)實現(xiàn)有限的USB充電器檢測形式

圖4所示連接方法支持如下有限端口檢測功能。當(dāng)便攜設(shè)備插入三種端口類型之一時，V_BUS為U1開關(guān)和設(shè)備的微控制器供電。U1的CB輸入的邏輯低電平將其置于檢測模式，D+線通過10kΩ上拉至系統(tǒng)邏輯電壓，D-通過100kΩ拉至GND。如果連接的是DCP (D+與D-短路)，D-將變?yōu)楦唠娖剑蝗绻B接的是SDP或CDP，D-及檢測輸出將為低電平。如果檢測到SDP或CDP，系統(tǒng)將驅(qū)動CB為低電平，將開關(guān)置于數(shù)據(jù)模式，該模式下將D+和D-連接至數(shù)據(jù)通路，用于枚舉及其它數(shù)據(jù)傳輸。以上方法有一個局限性：插入CDP時無法識別，從而不能立即充電，盡管在枚舉后可從CDP充電。

圖5所示為完整的端口檢測。MAX14578包括檢測連接設(shè)備(USB電纜、USB CDP或?qū)Ｓ贸潆娖?所需的所有電路，并控制外部鋰離子電池充電器。設(shè)備執(zhí)行與USB電池充電規(guī)范1.1兼容的檢測邏輯，包括數(shù)據(jù)觸點檢測、D+/D-短路檢測和CDP識別。另外，它有一個充電定時器和低電池電量監(jiān)測器，用于支持USB BC1.1“無電電池”充電機制。

MAX14578具有一個數(shù)據(jù)開關(guān)，適用于USB高速和初始(全速和低速)信號。它具有低導(dǎo)通電阻(R_ON)、低導(dǎo)通電阻平坦度以及非常小的電容。CDN和CDP引腳還具有高達(dá)15kV的人體模式ESD保護。


圖5. 利用MAX14578 USB充電端口檢測器和數(shù)據(jù)開關(guān)IC，可為充電器增加完全兼容于USB BC1.1的端口檢測功能。