USB電源充電設(shè)計(jì)技巧與注意事項(xiàng) - 全文

　　摘要

　　幾乎所有目前和未來(lái)推出的手持設(shè)備都要求使用 USB 電源和 AC 墻上適配器充電，這給電池充電帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。本文中，我們將討論簡(jiǎn)化 USB 充電的一些特性。具體而言，就是說(shuō)哪些特性可以幫助用戶設(shè)計(jì)一種符合 USB 規(guī)范的應(yīng)用？設(shè)計(jì)如何能夠同時(shí)支持 USB 和 AC 適配器輸入呢？我們將討論靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 和輸入電流極限。下面就以 bq2407x 系列器件為例來(lái)說(shuō)明一下這些特性。導(dǎo)言

　　消費(fèi)者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來(lái)越少，并期望獲得通過(guò)計(jì)算機(jī)或 AC 插座充電的靈活性，因此要求幾乎所有目前和未來(lái)推出的手持設(shè)備都能通過(guò) USB 電源和 AC 墻上適配器充電。USB 要求給電池充電帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。使用同一條線纜的要求以及由此而來(lái)的 USB 和 AC 適配器單輸入都意味著系統(tǒng)必須能夠識(shí)別并使用兩種電源。本文中，我們以 bq2407x 系列器件為例來(lái)介紹簡(jiǎn)化便攜式應(yīng)用鋰離子 （Li-Ion） 電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些特性和規(guī)范。具體而言，我們將討論輸入電流極限、靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 以及中國(guó)充電器規(guī)范的影響。這些特性簡(jiǎn)化了便攜式應(yīng)用的充電器設(shè)計(jì)。輸入電流極限

　　最公認(rèn)的 USB 規(guī)范是 USB 設(shè)備的電流消耗。USB 電源分為低功率和高功率電源。低功率電源被定義為非自供電 USB 集線器。這些設(shè)備使用來(lái)自 USB 電源的 500mA 電流，且必須在所有連接至集線器的設(shè)備之間共用電流。低功率電源可提供 4.4V 的最低工作電壓，其電流極限設(shè)定在一個(gè)單位負(fù)載，即 USB1.x 和 2.0 下的 100mA。就超高速 （SuperSpeed） USB 而言，單位負(fù)載被增加到了 150mA。高功率電源是一些自供電的集線器或者計(jì)算機(jī) USB 端口，其可提供最小工作電壓為 4.75V，擁有高達(dá) 5 個(gè)單位負(fù)載的電流，即 USB1.x 和 2.0 下每個(gè)端口 500mA，或者超高速 USB 下 6 個(gè)單位負(fù)載 （900mA）。所有設(shè)備默認(rèn)均為低功率模式，但在枚舉主機(jī)時(shí)會(huì)要求高功率模式。除高功率和低功率端口以外，許多設(shè)備均通過(guò)使用相同連接器的 AC 適配器來(lái)運(yùn)行。這些電源可提供高達(dá) 1.5A 的電流（USB 線纜傳輸能力）。設(shè)備不能使用 2.5mA 以上的電流時(shí)，最終模式為掛起模式。USB 設(shè)備必須支持所有這四種模式，以達(dá)到 USB 規(guī)范。充電設(shè)備的輸入電流極限不能超出 USB 規(guī)范。這就是說(shuō)您必須在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到技術(shù)說(shuō)明規(guī)范以驗(yàn)證在所有工藝差異和溫度下均能夠保證電流極限不超出 USB 極限。圖 1 是 bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的一部分，其清楚地標(biāo)明了輸入電流極限規(guī)范。請(qǐng)注意，規(guī)范的最大數(shù)值為 USB 極限。這樣就可以確保溫度、工藝和輸入電壓下的所有 bq2407x 器件都在 USB 規(guī)范以內(nèi)。最大 USB 規(guī)范極限列出的典型值是不允許的，因?yàn)橐恍┎考?huì)超出這一值。如果最大數(shù)值大于 USB 規(guī)范，則存在違反 USB 規(guī)范的可能性。

　　圖 1 bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的輸入電流極限節(jié)選主機(jī)要求系統(tǒng)進(jìn)入 USB 掛起模式時(shí)，規(guī)范極限為 2.5mA。

　　驅(qū)動(dòng) EN1 和 EN2 為高電平使得 bq2407x 進(jìn)入 USB 掛起模式。這種模式下，靜態(tài)電流減少至 50μA（最大）。如果其他電路由 VBUS 電源供電運(yùn)行，則這會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)較大的裕量。就待機(jī)模式電流規(guī)范而言，其通常出現(xiàn)在電氣特性表的靜態(tài)電流部分。圖 2 顯示了 bq2407x 的靜態(tài)電流。請(qǐng)注意，在 USB 掛起模式 （EN1=EN2=HI） 下，最大靜態(tài)電流為 50μA （VBUS = 6V），其大大低于 USB 掛起模式的 2.5mA 要求。

　　圖 2、bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的靜態(tài)電流部分節(jié)選USB 啟動(dòng)問(wèn)題

　　USB 2.0 規(guī)范規(guī)定“并聯(lián)一個(gè)單位負(fù)載時(shí) （100mA），線纜下行端允許的最大負(fù)載 （CRPB） 為 10μF。10μF 電容代表一個(gè) VBUS 線之間直接連接的旁路電容器，加上通過(guò)設(shè)備調(diào)節(jié)器的所有可見(jiàn)電容效應(yīng)?！?［1］。要對(duì)此進(jìn)行測(cè)試，USB-IF 測(cè)試程序文檔 1.3 版描述為“USB 規(guī)范允許高達(dá) 10uF 硬啟動(dòng)，其可形成 50.0uC 的最大浪涌電流值?！?［2］ 50μC 由公式 1 計(jì)算得到：我們?nèi)绾螌⑵渥優(yōu)殡娏鳂O限呢？安培單位為庫(kù)侖每秒。這就是說(shuō)在啟動(dòng)期間，電流極限以上的最大浪涌電流乘以電流極限以上的時(shí)間，所得結(jié)果必須小于 50μC。如公式 2 所示：請(qǐng)注意，IIN_AVG 代表浪涌電流期間的平均輸入電流。充電器設(shè)備的輸入電流極限必須防止來(lái)自 USB 電源的電流超出 50μC。圖 3 顯示了在 100mA 模式下 bq2407x 的啟動(dòng)情況。請(qǐng)注意，高亮區(qū)域代表允許的過(guò)沖充電區(qū)域。bq2407x 的輸入電容要求為 1μF。這超出了符合輸入電容規(guī)定的程度。輸入電流極限讓設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心系統(tǒng)的電容值，因?yàn)?USB 電源絕不會(huì)出現(xiàn)這種電流。

　　圖 3 輸入電流啟動(dòng)波形，EN1 = EN2 = GND， VBAT 《 VWEAKBATTbq2407x 的輸入電容要求為 1μF。

　　硬啟動(dòng) 1μF 要求 5μC。這種啟動(dòng)的系統(tǒng)電容為 47μF，其不能直接通過(guò) USB 端口啟動(dòng)。就輸入電流極限而言，硬啟動(dòng)系統(tǒng)電容并開(kāi)始充電都不成問(wèn)題。輸入電流閾值小于 100mA 規(guī)范，因此首次啟動(dòng)以后，便不會(huì)違反 USB100 規(guī)范。弱電池閾值

　　USB 規(guī)范要求在 VBUS 電源的電流大于 2.5mA 以前枚舉主機(jī)。但是，規(guī)范中有一條關(guān)于零電量、弱電量或無(wú)電池情況的規(guī)定。規(guī)定如下：“一個(gè)零電量、弱電量或無(wú)電池情況的設(shè)備需要在連接后 100ms 左右的時(shí)間提供 100mA 的電流，以確定它是否可以連接。” ［3］如果設(shè)備不能在 100ms 時(shí)間內(nèi)以 100mA 啟動(dòng)，則可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，USB 規(guī)范增加了一條電池充電的具體規(guī)定。其規(guī)定“如果便攜式設(shè)備不能以低于 100mA 的電流上電并連接，該零電量或弱電量電池的設(shè)備則可以使用主機(jī)提供的 100mA 電流首先將其電池充電至其弱電量電池閾值。一旦達(dá)到其弱電量電池閾值，立即要求設(shè)備上電并連接?！?［4］在弱電量電池閾值以上，假設(shè)電池足以為主機(jī)供電，因此主機(jī)開(kāi)啟。每種應(yīng)用都定義了其自身的弱電量電池閾值。bq2407x 的硬件使能以及一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓探測(cè)器使得設(shè)計(jì)人員能夠輕松地滿足這一要求。

　　圖 4 顯示的是弱電量電池閾值情況下的一款簡(jiǎn)單解決方案。

　　圖 4 弱電量電池檢測(cè)實(shí)施必須對(duì)電壓探測(cè)器進(jìn)行應(yīng)用弱電量電池閾值設(shè)置。

　　例如，TPS3836 有數(shù)個(gè)有效閾值。另外，為了獲得最大的靈活性，一些電壓探測(cè)器提供了可調(diào)節(jié)閾值。就這種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，重要的電壓探測(cè)器特性是一種有源低電平 RESET（VIN 《 VTHRESHOLD 時(shí)為低電平）推/拉輸出，這樣它便可以與主機(jī)輸出隔離。一旦主機(jī)出現(xiàn)，它便關(guān)閉電壓探測(cè)器，或者停止上拉。主機(jī)輸出的下拉力必須要大于將電壓探測(cè)器輸出與 EN1 和 EN2 隔離的一些電阻。圖 5 顯示了實(shí)施波形。將弱電量電池閾值設(shè)定為 3.3V。當(dāng)插入 3.5V 電池時(shí)，其被識(shí)別為一塊狀態(tài)良好的電池，同時(shí) EN1 和 EN2 被 TPS3836 拉為高電平。枚舉主機(jī)以后，主機(jī)拉低 EN2，以將 bq24072 電池充電器設(shè)置為 USB500 模式。這種方法假定 HOST 關(guān)閉時(shí) HOST GPIO 為高阻抗。

　　圖 5 弱電量電池實(shí)施舉例基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM）

　　USB 規(guī)范規(guī)定，在通過(guò)所有集線器和線纜以后的滿負(fù)載條件下，低功率端口設(shè)備的輸出可以低至 4.4V。一些設(shè)備實(shí)施了基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM）。該環(huán)路降低了輸入電流極限，以防止輸入崩潰。圖 6 顯示了無(wú) VIN-DPM 保護(hù)情況下 USB 端口過(guò)負(fù)載的后果。請(qǐng)注意，當(dāng)輸入電壓降至“電源良好”閾值以下時(shí)，充電器關(guān)閉。這樣會(huì)關(guān)閉電源的負(fù)載，并允許輸入電壓恢復(fù)，從而開(kāi)啟充電器。這種開(kāi)/關(guān)脈沖是多余的。

　　圖 6 無(wú) VIN-DPM 的輸入崩潰VIN-DPM 通過(guò)限制輸入電流來(lái)阻止出現(xiàn)脈沖，從而防止輸入電源崩潰。

　　圖 7 顯示了使用 bq2407x 充電器時(shí) USB 端口過(guò)載的結(jié)果。VIN-DPM 功能生效來(lái)降低輸入電流極限，并防止電源崩潰。

　　圖 7 使用了 VIN-DPM 的輸入過(guò)載保護(hù)中國(guó)充電器標(biāo)準(zhǔn)

　　展望未來(lái)，中國(guó)針對(duì)在中國(guó)銷售的充電器適配器制定了一套標(biāo)準(zhǔn)，旨在減少每年 1 億多淘汰手持設(shè)備的廢棄適配器數(shù)量。這種新的標(biāo)準(zhǔn)使用了許多 USB 規(guī)范。就這點(diǎn)而言，其要求適配器電源線有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 A 型 USB 連接器，以插入 AC 適配器或標(biāo)準(zhǔn)的 USB 端口。充電器必須能提供 300mA 和 1.8A 之間的電流。額定適配器電壓為 5V +/–5%，而且充電器必須工作在低于 6V 的電源下。電源超過(guò) 6V 時(shí)，下游電路必須得到保護(hù)。許多電池充電器 IC 都具有幫助達(dá)到中國(guó)充電器標(biāo)準(zhǔn)的功能。顧名思義術(shù)語(yǔ)“通用充電器”，即充電器 IC 的輸入必須穩(wěn)健到能夠應(yīng)對(duì)許多不同的電源，并且不再是只為單個(gè)特定適配器而進(jìn)行設(shè)計(jì)。它們必須能夠經(jīng)受得住高壓電源（例如：12V 車載電源等）的意外接入。如 bq2407x 等器件的寬輸入電壓范圍可在高達(dá) 28V 的輸入瞬態(tài)電壓條件下為下游設(shè)備提供保護(hù)。這種高輸入電壓范圍和過(guò)壓保護(hù) （OVP） 功能可保護(hù)電池充電器和下游設(shè)備免受錯(cuò)誤或潛在有害輸入電源的損壞。VIN-DPM 特性還有助于達(dá)到中國(guó)充電器標(biāo)準(zhǔn)。通用適配器可提供 300mA 和 1.8A 之間的電流。使用沒(méi)有 VIN-DPM 的設(shè)備時(shí)，如果 IC 編程為 500mA 輸入電流極限，則會(huì)使 300mA 適配器崩潰。VIN-DPM 功能可防止輸入在連接弱適配器時(shí)崩潰，而且仍然允許將電流極限針對(duì)典型適配器進(jìn)行設(shè)置以最大化充電時(shí)間。

　　結(jié)論

　　消費(fèi)者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來(lái)越少，并期望獲得通過(guò)計(jì)算機(jī)或 AC 插座充電的靈活性，因此要求許多目前和未來(lái)推出的手持設(shè)備都能通過(guò) USB 電源和 AC 墻上適配器充電。這樣，手持設(shè)備就必須要符合 USB 規(guī)范。這些要求給電池充電帶來(lái)了諸多新的挑戰(zhàn)。本文中，我們使用了 bq2407x 系列器件來(lái)介紹一些輸入電流極限規(guī)范、靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 的例子，這些特性簡(jiǎn)化了電池充電器的設(shè)計(jì)。另外，我們還探討了中國(guó)充電器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)充電器設(shè)計(jì)的影響。我們簡(jiǎn)要介紹的這些規(guī)范和特性簡(jiǎn)化了充電器設(shè)計(jì)。