USB電池充電基礎：應急指南

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、維修擔保等風險，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到最佳平衡。

引言

USB為便攜設備供電與其串行通信功能一樣，已經(jīng)成為一種標準應用。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用。應用的普及帶來的一個顯著效果是便攜設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、維修擔保等風險，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)，為所連接的設備供電。這些規(guī)范并非針對電池充電，而是用于小型外設供電，例如麥克風和鍵盤。但這并不妨礙設計人員設計出自己的USB電池充電裝置。然而，如果沒有統(tǒng)一指導，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1.5A。盡管標題為“電池充電規(guī)范”，但該文件幾乎沒有包括關(guān)于充電電池指標的任何信息，只是規(guī)定了應該從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)商其電流預算。隨后，可能允許吸收高達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. 標準下行端口(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1.5A電流，通過短路D+和D-進行識別，從而能夠設計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。USB接口出現(xiàn)過載時很可能導致關(guān)斷、燒毀保險絲或觸發(fā)自恢復保險絲動作。即使具有自恢復保護，也只能在拔出設備并重新連接后才能重新啟動。在保護措施不嚴謹?shù)慕涌谠O計中，接口過載會造成整個系統(tǒng)復位。

便攜設計可以選擇適當方法管理接口檢測，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準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。這些選擇可以由應用處理器控制，或者是由負責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)送相應指令。充電器負責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置在正確的參數(shù)。

不同的設備設計可能不通過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。這種方式避免了設計復雜性，或者無需擔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。充電器負責端口檢測并選擇合適的USB負載電流門限，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：設備和主機之間交換初始數(shù)據(jù)，識別設備類型。
配置：設置設備參數(shù)。

在USB 2.0中，設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。在預算較低的設計中，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。當便攜設備插入三種端口類型之一時，V_BUS為U1開關(guān)和設備的微控制器供電。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?；如果連接的是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。它具有低導通電阻(R_ON)、低導通電阻平坦度以及非常小的電容。CDN和CDP引腳還具有高達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。