USB電池充電概述

USB為所有類型的低功耗電子設(shè)備提供了巨大的電源機(jī)會(huì)，其中許多是電池供電的。USB的廣泛普及為電池充電設(shè)計(jì)帶來了獨(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文介紹如何將簡單的電池充電器連接到 USB 電源。本文對USB電源總線特性的綜述包括NiMH和Li+電池技術(shù)、充電方法和充電終止技術(shù)的概述，以及從USB端口對NiMH電池進(jìn)行智能充電的完整電路示例。

介紹

通用串行總線 （USB） 端口是帶電源和接地的雙向數(shù)據(jù)端口。所有類型的外圍設(shè)備都可以連接到USB，包括外部驅(qū)動(dòng)器，存儲(chǔ)設(shè)備，鍵盤，鼠標(biāo)，無線接口，視頻和靜態(tài)相機(jī)，MP3播放器以及無數(shù)其他電子設(shè)備。其中許多設(shè)備由電池供電，有些帶有內(nèi)部電池。USB的廣泛普及為電池充電設(shè)計(jì)帶來了獨(dú)特的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。本文介紹如何將簡單的電池充電器連接到USB電源。本文回顧了USB電源總線特性，包括電壓、電流限制、浪涌電流、連接器和布線。概述了鎳氫（NiMH）和鋰電池技術(shù)、充電方法和充電終止技術(shù)。給出了從USB端口對NiMH電池進(jìn)行智能充電的完整示例電路以及充電數(shù)據(jù)。

USB特性

USB總線可以為低功耗電子設(shè)備供電。它與主電源隔離，調(diào)節(jié)相對較好。但是，負(fù)載與主機(jī)或電源之間的可用電流和潛在相互作用存在限制。

USB 端口由一對 90Ω 雙向差分屏蔽雙絞線 V 組成總線（+5V電源）和接地。這四根電線用實(shí)心鋁制內(nèi)屏蔽層和絞合式外屏蔽層屏蔽。USB 2.0 規(guī)范的副本可從 USB 組織免費(fèi)獲得。完全符合規(guī)范需要通過功能控制器在設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行雙向通信。該規(guī)范將單位負(fù)載定義為100mA （最大值）。任何設(shè)備允許消耗的最大電流為五個(gè)單位負(fù)載。

USB 端口分為提供最多一個(gè)單位負(fù)載的低功耗端口或最多提供五個(gè)單位負(fù)載的高功率端口。當(dāng)設(shè)備首次連接到 USB 端口時(shí)，枚舉過程會(huì)標(biāo)識設(shè)備以確定其負(fù)載要求。在此期間，僅允許設(shè)備從主機(jī)獲取一個(gè)單位負(fù)載。枚舉過程之后，如果主機(jī)中的電源管理軟件允許，則允許更高功率的設(shè)備消耗更高的電流。

某些主機(jī)系統(tǒng)（包括下游 USB 集線器）通過保險(xiǎn)絲或有源電流傳感器進(jìn)行電流限制。如果 USB 設(shè)備在未枚舉的情況下向 USB 端口提供高電流（超過一個(gè)單位）負(fù)載，則可能會(huì)導(dǎo)致可檢測到的過流情況，從而關(guān)閉正在使用的一個(gè)或多個(gè) USB 端口。許多市售USB設(shè)備，包括獨(dú)立電池充電器，在沒有功能控制器處理枚舉過程的情況下消耗超過100mA的電流;它們冒著在錯(cuò)誤的情況下給主機(jī)帶來問題的風(fēng)險(xiǎn)。例如，如果將一個(gè)消耗500mA電流的設(shè)備插入總線供電的USB集線器，如果未正確枚舉，則集線器端口和主機(jī)端口可能會(huì)過載。

當(dāng)主機(jī)操作系統(tǒng)使用高級電源管理（尤其是筆記本電腦）并且期望端口電流極低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步的復(fù)雜性。在某些節(jié)能模式下，計(jì)算機(jī)向 USB 設(shè)備發(fā)出掛起命令，然后這些設(shè)備將進(jìn)入低功耗模式。包括一個(gè)功能控制器來與主機(jī)通信，即使使用低功耗設(shè)備也是如此。

USB 2.0 規(guī)范非常全面，規(guī)定了電能質(zhì)量、連接器結(jié)構(gòu)、電纜材料、允許的壓降和浪涌電流。低電流和高電流端口具有不同的電能質(zhì)量規(guī)格。這些主要取決于主機(jī)和負(fù)載之間的連接器和電纜中的壓降，包括USB供電集線器上的壓降。主機(jī)（如計(jì)算機(jī)或自供電 USB 集線器）具有能夠支持高達(dá) 500mA 的大電流端口。低電流端口位于無源總線供電的 USB 集線器上。表1給出了高電流和低電流端口USB端口上游（源）側(cè)引腳電壓的允許容差。

表 1.USB 2.0 規(guī)范電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

*這些規(guī)格適用于上游側(cè)主機(jī)或集線器端口連接器的引腳。由于電纜和連接器引起的額外I x R跌落必須單獨(dú)計(jì)算。

在與 USB 2.0 規(guī)范兼容的主機(jī)中，高功率端口的上游側(cè)提供 120μF 的低 ESR 電容。連接的USB器件的輸入電容限制為10μF，初始負(fù)載連接期間從主機(jī)（或供電集線器）消耗的總允許電荷為50μC。因此，當(dāng)新設(shè)備連接到USB端口時(shí)，上游端口的瞬態(tài)壓降小于半伏。如果負(fù)載的正確運(yùn)行需要更多的電容，則必須為其設(shè)置浪涌電流限制器，以不大于100mA的電流為較大的電容充電。

具有總線供電的USB集線器并附加了低功耗功能的USB端口的允許直流壓降如圖1所示。連接到未通電集線器的大功率負(fù)載具有比圖1所示更大的壓降，并且可能使總線過載。

圖1.從主機(jī)到低功率負(fù)載的壓降大于這些允許的直流壓降會(huì)使總線過載。

電池充電要求

單電池鋰離子和鋰聚合物

當(dāng)今的鋰化學(xué)成分通常為4.1V至4.2V，當(dāng)電池充電至其最大額定容量時(shí)。更新、更高容量的電池正在銷售，電壓范圍為4.3V至4.4V。典型的棱柱形鋰離子（Li+）和鋰聚合物（Li-Poly）的容量為600mAh至1400mAh。

Li+和Li-Poly電池的首選充電曲線是以恒定的充電電流開始充電，直到電池電壓達(dá)到額定電壓。發(fā)生這種情況時(shí)，充電器會(huì)調(diào)節(jié)電池兩端的電壓。這兩種調(diào)節(jié)狀態(tài)稱為恒流 （CC） 和恒壓 （CV） 充電;因此，這種類型的充電器通常被稱為CCCV充電器。當(dāng)CCCV充電器處于CV模式時(shí)，進(jìn)入電池的電流開始下降。對于0.5C至1.5C的典型充電速率，當(dāng)電池接受約80%至90%的完全充電容量時(shí)，就會(huì)發(fā)生CC和CV模式之間的過渡。一旦充電器處于 CV 充電模式，它就會(huì)監(jiān)控電池電流;當(dāng)達(dá)到低閾值（毫安或幾十毫安）時(shí)，充電器終止充電。鋰化學(xué)電池的典型充電曲線如圖2所示。

圖2.顯示使用CCCV充電器充電的Li+電池的典型結(jié)果。

圖1所示的USB壓降表明，位于端口供電集線器下游側(cè)的低功耗端口幾乎沒有足夠的裕量將電池充電至4.2V。充電路徑中的少量額外電阻可能會(huì)阻止正常充電。

Li+和Li-Poly電池應(yīng)在中等溫度下充電。制造商推薦的最高充電溫度通常在+45°C至+55°C范圍內(nèi)，允許放電溫度高出約10°C。這些電池中使用的材料具有高反應(yīng)性，如果電池溫度超過+70°C，就會(huì)點(diǎn)燃。 鋰化學(xué)電池的充電器應(yīng)設(shè)計(jì)有熱切斷電路，該電路可監(jiān)控電池溫度，并在電池溫度超過制造商建議的最高充電溫度時(shí)終止充電。

鎳氫電池

NiMH電池比鋰基電池更重，能量密度更低。從歷史上看，它們比鋰便宜，但價(jià)格差距最近一直在縮小。NiMH電池有標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在大多數(shù)應(yīng)用中可直接替代堿性電池。標(biāo)稱值為每節(jié)電池為1.2V，充滿電時(shí)高達(dá)1.5V。

鎳氫電池通常由恒流源充電。當(dāng)它們達(dá)到完全充電狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池溫度升高，端電壓降低?？梢?a target="_blank">檢測電池溫度的上升速率或負(fù)電壓變化，并用于終止充電。這些端接方法分別稱為dT/dt和-ΔV。在非常低的電荷速率下，dT/dt和-ΔV效應(yīng)變得不那么明顯，并且難以準(zhǔn)確檢測。dT/dt 和 -ΔV 響應(yīng)在電池開始過充電時(shí)開始。超過此點(diǎn)繼續(xù)充電可能會(huì)損壞電池。

在高于 C/3 的充電速率下進(jìn)行終止檢測比在低充電速率下容易得多。溫升約為1°C/min，-ΔV響應(yīng)比較低速率時(shí)更明顯?？焖俪潆娊K止后，建議在降低電流下增加充電周期以對電池進(jìn)行充電（浮充）。當(dāng)浮充循環(huán)完成后，C/20 或 C/30 的涓流充電電流抵消自放電的影響，并使電池保持完全充電狀態(tài)。使用DS2712 NiMH充電器的部分充電NiMH電池在充電周期內(nèi)的電池電壓如圖3所示。在此圖中，上部曲線是電流被驅(qū)動(dòng)到電池時(shí)獲取的數(shù)據(jù);下面的曲線顯示了在充電電流源關(guān)閉時(shí)獲取的數(shù)據(jù)。在DS2712中，這種電壓差用于區(qū)分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，DS2712不會(huì)充電。

圖3.DS2712充電控制器用于為NiMH電池充電。

開關(guān)與線性

USB 2.0 規(guī)范允許從低功耗端口提供高達(dá) 100mA 的電流，從高功率端口提供高達(dá) 500mA 的電流。如果使用線性調(diào)整元件來調(diào)節(jié)電池的充電電流，則這些是最大允許充電電流。線性調(diào)整元件（圖4）的功耗為P = VQx I巴特.這會(huì)導(dǎo)致調(diào)整管中的功率耗散，并且可能需要使用散熱器以防止過熱。

圖4.功耗是電池電流乘以調(diào)整管兩端的電壓。

對于5V的標(biāo)稱輸入電壓，調(diào)整元件根據(jù)電池的類型和數(shù)量以及電池電壓消耗不同的功率。

圖5.功率耗散在線性調(diào)整元件中，NiMH 電池在 5.0V 輸入電壓下從 USB 端口耗散。

圖5顯示了在標(biāo)稱輸入電壓為5.0V時(shí)，帶NiMH電池的線性USB充電器的計(jì)算功耗。使用單節(jié)電池充電時(shí)，線性充電器的效率僅為 30% 左右;兩節(jié)電池充電器的效率為 60%。以500mA電流為單節(jié)電池充電可產(chǎn)生高達(dá)2W的功耗。這種功率通常需要散熱器。在2W的功耗下，+20°C/W散熱器從+65°C的環(huán)境溫度加熱到約+25°C，并且需要暴露在自由空氣中才能充分發(fā)揮性能。在有靜止空氣的外殼內(nèi)，它會(huì)變得更熱。

使用基于開關(guān)穩(wěn)壓器的充電器可以解決幾個(gè)問題。首先，與線性充電器相比，電池充電速度更快，電流更高（圖 6）。由于作為熱量損失的功率更少，因此減少了熱管理問題。此外，充電器更可靠，因?yàn)樗\(yùn)行溫度更低。

圖6.為單節(jié)鎳氫電池充電時(shí)，線性充電器與開關(guān)充電器的充電時(shí)間不同。

圖6中的計(jì)算值基于從大功率USB端口以90mA最大允許電流的500%左右充電。本例中的開關(guān)穩(wěn)壓器假定為效率為77%的異步降壓轉(zhuǎn)換器。

電路示例

圖7所示電路是一個(gè)開關(guān)模式降壓穩(wěn)壓器，用于為單個(gè)NiMH電池充電。它使用DS2712充電控制器來調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)控溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度高于 +45°C 或低于 0°C，控制器不會(huì)開始為電池充電。

圖7.示意圖顯示了從USB端口充電的單節(jié)NiMH。

在圖7中，Q1是降壓充電器的開關(guān)功率晶體管;L1是平滑電感;D1是續(xù)流二極管或箝位二極管。輸入 C1 是一款 10μF、極低 ESR 陶瓷濾波電容器。用鉭或其他電解電容器代替C1會(huì)對充電器性能產(chǎn)生不利影響。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準(zhǔn)電壓為0.125V，遲滯分量為24mV。閉環(huán)、開關(guān)模式電流控制通過 CSOUT 提供。當(dāng) Q1 的柵極被電荷控制引腳 CC2 拉低時(shí)，使能 Q1 的柵極驅(qū)動(dòng)。Q1 和 Q2 均為低 Vt（柵源閾值電壓）pMOSFET。當(dāng)CC1和CSOUT均為低電平時(shí)，Q2的漏源電壓略高于1 Vt。該電壓加上CSOUT的正向壓降，確定了Q1的可用開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)電壓。 當(dāng)CC8為低電平時(shí)，它使能電流的閉環(huán)控制。啟動(dòng)開關(guān)波形如圖0所示。頂部波形是125.1Ω檢流電阻兩端的電壓，底部波形是Q1漏極至GND電壓。最初，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電感中的電流斜坡上升（CC0和CSOUT均為低電平）。當(dāng)電流達(dá)到125.0V時(shí)，CSOUT變?yōu)楦唠娖健４送猓娏髦饾u下降，直到檢流電阻上的電壓達(dá)到約1.1V，然后CSOUT再次變?yōu)榈碗娖?。只?CC<> 較低，此過程就會(huì)繼續(xù)。

圖8.圖中顯示了 USB NiMH 充電器的啟動(dòng)波形。

DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制CC1的門控動(dòng)作。充電開始時(shí)，DS2712進(jìn)行電池鑒定測試，確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并驗(yàn)證溫度是否在0°C至+45°C之間。 如果電壓低于1.0V，DS2712將CC1置于低電平，占空比為0.125，從而減慢電池充電速度以防止損壞。一旦電池電壓超過1.0V，狀態(tài)機(jī)將過渡到快速充電狀態(tài)。快速充電占空比為31/32，或約97%?！疤^”脈沖用于對電池進(jìn)行阻抗測試，以確保充電器中未安裝高阻抗電池，例如堿性電池?？焖俪潆娨恢背掷m(xù)到檢測到-2mV的ΔV。如果未檢測到-ΔV，則繼續(xù)快速充電，直到快速充電定時(shí)器到期或檢測到過熱或過壓故障情況（包括阻抗故障）。當(dāng)快速充電完成后（由于-ΔV或快充定時(shí)器到期），DS2712進(jìn)入定時(shí)浮充模式，占空比為12.5%，持續(xù)時(shí)間為編程快充超時(shí)的一半。浮充完成后，充電器進(jìn)入占空比為 1/64 的維護(hù)模式，并保持維護(hù)狀態(tài)，直到電池被移除或重新供電。

圖7所示的充電器可在兩個(gè)多小時(shí)內(nèi)從大功率USB端口為2100mAh NiMH電池快速充電，并在大約三個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全充電。從端口汲取的電流為420mA。如果需要與主機(jī)進(jìn)行枚舉并實(shí)現(xiàn)大電流使能，則可以在R9和地之間串聯(lián)插入一個(gè)漏極開路NMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，TMR懸空，DS2712處于掛起狀態(tài)。

總結(jié)

USB端口是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電源，用于為小型消費(fèi)電子產(chǎn)品的電池充電。為了完全符合 USB 2.0 規(guī)范，連接到 USB 端口的負(fù)載必須能夠與主機(jī)進(jìn)行雙向通信。負(fù)載還必須符合電源管理要求，包括低功耗模式和允許主機(jī)確定何時(shí)從端口獲取高功率的方法。雖然部分兼容的系統(tǒng)可能與大多數(shù) USB 主機(jī)兼容，但它們偶爾會(huì)產(chǎn)生意外結(jié)果。需要充分了解USB要求和負(fù)載期望，以便在完全合規(guī)性和負(fù)載復(fù)雜性之間做出正確的權(quán)衡。

審核編輯：郭婷