USB電池充電的基礎(chǔ)知識(shí)

可以說(shuō)，USB電源功能中最有用的部分是能夠在便攜式設(shè)備中為電池充電，但電池充電不僅僅是選擇電源，USB或其他電源。對(duì)于Li+電池尤其如此，充電不當(dāng)不僅會(huì)縮短電池壽命，而且還可能造成安全隱患。精心設(shè)計(jì)的充電器可優(yōu)化安全性和用戶體驗(yàn)。它還通過(guò)減少客戶退貨和保修維修來(lái)降低成本。從USB為電池充電需要在電池“保養(yǎng)和喂養(yǎng)”與USB的功率限制以及便攜式消費(fèi)類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)中存在的尺寸和成本障礙之間取得平衡。本文討論如何實(shí)現(xiàn)這種平衡。

介紹

USB已成為將電源連接到便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，就像串行通信一樣。最近，USB的電源方面已經(jīng)擴(kuò)展到電池充電以及AC適配器和其他電源。這種廣泛使用的一個(gè)切實(shí)好處是出現(xiàn)了可互換的插頭和適配器，用于為便攜式設(shè)備充電和供電。反過(guò)來(lái)，這允許從更廣泛的來(lái)源充電，而不是過(guò)去每個(gè)設(shè)備都需要一個(gè)獨(dú)特的適配器。

可以說(shuō)，USB電源功能最有用的好處是能夠在便攜式設(shè)備中為電池充電。盡管如此，電池充電不僅僅是選擇電源、USB 或其他方式。對(duì)于Li+電池來(lái)說(shuō)尤其如此，充電不當(dāng)不僅會(huì)縮短電池壽命，還會(huì)成為安全隱患。精心設(shè)計(jì)的充電器可優(yōu)化安全性和用戶體驗(yàn)。它還通過(guò)減少客戶退貨和保修維修來(lái)降低成本。

使用 USB 為電池充電需要在電池“保養(yǎng)和喂養(yǎng)”與 USB 的功率限制以及便攜式消費(fèi)類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)中存在的尺寸和成本障礙之間取得平衡。本文討論如何實(shí)現(xiàn)這種平衡。

一系列電源

USB 規(guī)范涵蓋幾代電源管理。最初的USB 1和2.0規(guī)范描述了兩種類(lèi)型的電源（分別為5V 500mA和5V 100mA），用于為連接的設(shè)備供電。這些規(guī)格在編寫(xiě)時(shí)并未考慮電池充電，而僅用于為鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等小型外圍設(shè)備供電。當(dāng)然，這并沒(méi)有阻止設(shè)計(jì)師自己研究USB電池充電。然而，如果沒(méi)有統(tǒng)一的指南，不同設(shè)備和充電器之間的互操作性就受到了影響。這種限制促使最近開(kāi)發(fā)了補(bǔ)充USB規(guī)范，即電池充電規(guī)范，修訂版1.1，4年15月2009日（BC1.1）。1確認(rèn)充電并描述可提供高達(dá) 1.5A 電流的電源。雖然標(biāo)題為“電池充電規(guī)范”，但該文件實(shí)際上不包含任何關(guān)于電池充電細(xì)節(jié)的內(nèi)容。它僅涉及如何從 USB 端口獲取電源以進(jìn)行充電。實(shí)際的充電方法仍取決于各個(gè)設(shè)計(jì)。

在BC1.1之前，所有USB電源端口在激活時(shí)（即USB術(shù)語(yǔ)中的“未掛起”）被歸類(lèi)為“低功耗”（100mA）或“高功率”（500mA）。任何端口也可以“掛起”，這意味著幾乎關(guān)閉但仍能夠提供2.5mA電流。在大多數(shù)情況下，PC、筆記本電腦和供電集線器上的端口（有源集線器是一個(gè) USB 分線盒，帶有自己的用于總線電源的壁式電源適配器）是“高功率”，而集線器上的端口除了上游 USB 主機(jī)提供的電源外不接收任何電源，則被視為“低功耗”。一旦插入，設(shè)備最初可以消耗高達(dá)100mA的電流，同時(shí)枚舉并與主機(jī)協(xié)商其當(dāng)前預(yù)算。隨后，可以允許將其漏極提高到500mA，或者可以保持在100mA。USB 串行總線規(guī)范修訂版 2.0 第 7.2.1.4 節(jié)中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

BC1.1 超越了 USB 2.0 中描述的功率分配，定義了額外的充電電源。它定義了三種不同的源類(lèi)型：

標(biāo)準(zhǔn)下行端口 （SDP） 此端口與 USB 2.0 規(guī)范定義的端口相同，是臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦中的典型形式。最大負(fù)載電流在掛起時(shí)為 2.5mA，在連接且未掛起時(shí)為 100mA，當(dāng)配置為該電流時(shí)為 500mA （最大值）。器件可以通過(guò)檢測(cè)USB數(shù)據(jù)線D+和D-通過(guò)15kΩ分別接地來(lái)識(shí)別帶有硬件的SDP，但仍需要枚舉才能符合USB標(biāo)準(zhǔn)。在USB 2.0中，在沒(méi)有枚舉的情況下獲取功率并不嚴(yán)格合法，盡管當(dāng)今的許多硬件都是這樣做的，并且違反了規(guī)范。

充電下游端口 （CDP） BC1.1 定義了這個(gè)新的、更高電流的 USB 端口，適用于 PC、筆記本電腦和其他硬件。現(xiàn)在CDP可以提供高達(dá)1.5A的電流，這與USB 2.0不同，因?yàn)樵撾娏骺梢栽诿杜e之前提供。插入CDP的設(shè)備可以通過(guò)操作和監(jiān)控D+和D-線實(shí)現(xiàn)的硬件握手來(lái)識(shí)別它。（請(qǐng)參閱 USB 電池充電規(guī)范，第 3.2.3 節(jié)。硬件測(cè)試在將數(shù)據(jù)線轉(zhuǎn)到USB收發(fā)器之前進(jìn)行，從而允許在枚舉之前檢測(cè)到CDP（并開(kāi)始充電）。

專(zhuān)用充電端口 （DCP） BC1.1 描述了壁式電源適配器和自動(dòng)適配器等電源，這些電源不枚舉，因此可以在完全沒(méi)有數(shù)字通信的情況下進(jìn)行充電。DCP 可提供高達(dá) 1.5A 的電流，并通過(guò) D+ 至 D- 之間的短路來(lái)識(shí)別。這允許創(chuàng)建具有USB迷你或微型插座的DCP“壁式疣”，而不是帶有套管或定制連接器的永久連接電線。此類(lèi)適配器允許使用任何USB電纜（帶有正確的插頭）進(jìn)行充電。

檢測(cè)源類(lèi)型

對(duì)于連接到任何USB插座并使用該電源自行運(yùn)行或?yàn)殡姵爻潆姷脑O(shè)備來(lái)說(shuō)，訣竅是知道適合消耗多少電流。試圖從僅能提供1mA電流的電源中汲取500A電流是不好的。過(guò)載的 USB 端口可能會(huì)關(guān)閉、熔斷保險(xiǎn)絲或使多晶開(kāi)關(guān)跳閘。即使具有可重置的保護(hù)，在拔下設(shè)備并重新連接之前，它通常也不會(huì)重新啟動(dòng)。在保護(hù)不太嚴(yán)格的端口中，過(guò)載的端口可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。

便攜式設(shè)計(jì)可以選擇如何管理端口檢測(cè)。它可以符合 BC1.1、僅符合 USB 2.0 或不兼容。如果完全符合 BC1.1，它必須能夠檢測(cè)和限制所有 USB 源類(lèi)型的輸入電流，包括傳統(tǒng)的 USB 1 和 2.0 端口。如果符合 2.0，它將在枚舉后從 SDP 中收費(fèi)，但可能無(wú)法識(shí)別 CDP 和 DCP。如果它無(wú)法識(shí)別 CDP，它仍然可以收費(fèi)并保持合規(guī)，但只能在枚舉后，就像使用 SDP 一樣。其他部分合規(guī)和不合規(guī)的收費(fèi)方案將在后面討論。

設(shè)備可以使用自己的軟件實(shí)現(xiàn)端口檢測(cè)，也可以使用充電器或接口IC，通過(guò)與USB D+和D-數(shù)據(jù)線交互進(jìn)行檢測(cè)，而無(wú)需依賴系統(tǒng)資源。這些角色的設(shè)計(jì)分區(qū)取決于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。例如，已經(jīng)使用微控制器或?qū)Ｓ肐C來(lái)管理電源的設(shè)備可能更喜歡使用該IC進(jìn)行端口檢測(cè)和電流選擇。由于設(shè)備已經(jīng)可以通過(guò) USB 連接與主機(jī)通信，因此它可以根據(jù)枚舉和配置的結(jié)果做出充電選擇。這些選擇可以由應(yīng)用處理器或可能處理電源管理和其他系統(tǒng)功能的單獨(dú)微控制器控制。系統(tǒng)檢測(cè)端口類(lèi)型，枚舉并向充電器發(fā)送適當(dāng)?shù)拿?。充電器處理充電的硬件和安全方面，并具有不允許系統(tǒng)損壞電池的內(nèi)置限制（圖1）。

圖1.非枚舉充電器。USB 收發(fā)器和微處理器處理 USB 枚舉。然后，微處理器將電池充電器設(shè)置為正確的參數(shù)。

其他設(shè)備可能未設(shè)計(jì)為與 USB 通信，或者不想使用系統(tǒng)軟件來(lái)管理 USB 充電。它只想使用可用的USB端口作為電源。此方法可用于避免復(fù)雜性或響應(yīng)對(duì)軟件錯(cuò)誤可能導(dǎo)致錯(cuò)誤收費(fèi)的擔(dān)憂。由于系統(tǒng)不枚舉，因此最佳充電選項(xiàng)是自枚舉充電器 IC。充電器負(fù)責(zé)端口檢測(cè)并選擇適當(dāng)?shù)?USB 負(fù)載電流限值，無(wú)需系統(tǒng)幫助（圖 2）。

圖2.自枚舉充電器直接連接到USB數(shù)據(jù)線，使簡(jiǎn)單的系統(tǒng)無(wú)需USB收發(fā)器或微處理器資源即可充分利用USB充電。

USB 連接術(shù)語(yǔ)

在這一點(diǎn)上，一些USB術(shù)語(yǔ)值得澄清。它們是“附加”、“連接”、“枚舉”和“配置”。

連接插入 USB 電纜的物理過(guò)程。

連接 當(dāng)器件（您剛剛插入）將 1.5kΩ 上拉電阻連接到 D+ 或 D- 數(shù)據(jù)線時(shí)。

枚舉設(shè)備和主機(jī)之間的初始數(shù)據(jù)交換，以標(biāo)識(shí)設(shè)備類(lèi)型。

配置設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

在 USB 2.0 中，設(shè)備在枚舉和配置期間了解 USB 端口可以提供多少電流。枚舉和配置需要在設(shè)備和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)字對(duì)話。BC1.1 擴(kuò)展了 USB 規(guī)范。除了USB 2.0選項(xiàng)外，BC1.1還允許使用“啞”方法確定端口類(lèi)型，以便對(duì)于某些端口，可以在沒(méi)有枚舉的情況下進(jìn)行充電。

端口檢測(cè)和自枚舉充電器

MAX8895決定如何最好地利用可用輸入功率，而無(wú)需依賴系統(tǒng)來(lái)評(píng)估電源。充電器會(huì)自動(dòng)確定適配器類(lèi)型，并可以區(qū)分：

直流電流：500mA 至 1.5A

CDP（主機(jī)或集線器）：高速時(shí)為 900mA（啁啾時(shí)為 580mA）;低速和高速時(shí)至 1.5A

低功耗SDP（主機(jī)或集線器）：100mA

高功率SDP（主機(jī)或集線器）：500mA

可用電流可以由電池或系統(tǒng)使用，也可以在它們之間分配。內(nèi)置掛起計(jì)時(shí)器會(huì)在 10 毫秒內(nèi)未檢測(cè)到總線流量時(shí)自動(dòng)觸發(fā)掛起。

除了自動(dòng)優(yōu)化USB和適配器電源的電流外，MAX8895還能夠巧妙地處理從適配器和USB電源到電池電源的切換;它允許系統(tǒng)在必要時(shí)使用所有可用的輸入功率（圖 3）。這樣，當(dāng)電池沒(méi)電或丟失時(shí)，可以立即運(yùn)行。所有功率轉(zhuǎn)向MOSFET均集成在一起，無(wú)需外部二極管。芯片溫度通過(guò)熱調(diào)節(jié)環(huán)路保持較低水平，該熱調(diào)節(jié)環(huán)路可在極端溫度下降低充電電流。

圖3.MAX8895充電器通過(guò)USB源自枚舉，根據(jù)所連接電源的類(lèi)型優(yōu)化設(shè)置充電電流。它還可以在啟動(dòng)深度放電的電池的同時(shí)保持系統(tǒng)運(yùn)行。

添加端口檢測(cè)

BC1.1 介紹了用于確定端口類(lèi)型的硬件檢測(cè)方法。預(yù)期集成電路將用于此目的，如圖8895中的MAX2，或者該電路將包含在USB收發(fā)器中。然而，有時(shí)可能首選在現(xiàn)有充電器中添加端口檢測(cè)或至少其中的某些子集。圖4顯示了在系統(tǒng)微控制器控制下運(yùn)行的基本USB充電器檢測(cè)方案的電路。這種方法可以檢測(cè) DCP，但無(wú)法區(qū)分 SDP 和 CDP。它將兩者視為SDP，這意味著在某些情況下，它可能會(huì)錯(cuò)過(guò)從CDP獲取更多充電電流的機(jī)會(huì)。這個(gè)缺點(diǎn)在低預(yù)算設(shè)計(jì)中可能是可以接受的。

圖4.高速 USB 開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)有限形式的 USB 充電器檢測(cè)。

圖 4 連接實(shí)現(xiàn)有限的端口檢測(cè)，如下所示。當(dāng)便攜式設(shè)備連接到三種端口類(lèi)型之一時(shí)，V總線為 U1 開(kāi)關(guān)和器件的微控制器供電。U1 CB 輸入上的低邏輯電平使其進(jìn)入檢測(cè)模式，其中 D+ 線通過(guò) 10kΩ 上拉至系統(tǒng)邏輯電壓，D- 通過(guò) 100kΩ 上拉至 GND。如果連接了DCP（將D+短路為D-），則D-將變?yōu)楦唠娖健Ｈ绻B接了SDP或CDP，則D-和檢測(cè)輸出將為低電平。如果檢測(cè)到SDP或CDP，系統(tǒng)將CB驅(qū)動(dòng)為低電平，使交換機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，將D+和D-連接到數(shù)據(jù)路徑以進(jìn)行枚舉和其他數(shù)據(jù)傳輸。上述方案有一個(gè)局限性：當(dāng)附加到 CDP 時(shí)，它不會(huì)識(shí)別，因此不會(huì)立即收費(fèi)，盡管它會(huì)在枚舉后從 CDP 收費(fèi)。

完整的端口檢測(cè)如圖 5 所示。MAX14578包含檢測(cè)所連接器件（USB電纜、USB CDP或?qū)Ｓ贸潆娖鳎┖涂刂仆獠?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/6503/" target="_blank">鋰離子電池充電器所需的全部電路。該器件實(shí)現(xiàn)了符合 USB 電池充電版本 1.1 的檢測(cè)邏輯，包括數(shù)據(jù)接觸檢測(cè)、D+/D- 短路檢測(cè)和 CDP 識(shí)別。此外，它還包括一個(gè)充電定時(shí)器和弱電池電壓監(jiān)視器，以支持 USB BC1.1“沒(méi)電電池”規(guī)定。

MAX14578包括一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，兼容USB高速和原始（全速和低速）信號(hào)。它具有低導(dǎo)通電阻（R上）、低導(dǎo)通電阻平坦度和極低電容。CDN 和 CDP 引腳還具有 ESD 保護(hù)，每個(gè)人體模型高達(dá) 15kV。

圖5.通過(guò)MAX1 USB充電端口檢測(cè)器和數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)IC，可將完全兼容的USB BC1.14578端口檢測(cè)添加到充電器中。

在圖6中，簡(jiǎn)單的Li+充電功能被添加到USB設(shè)備中。MAX8814可配置為從100mA或500mA USB端口為電池充電。電路初始化電流為100mA。然后，微處理器枚舉主機(jī)以確定其當(dāng)前功能。如果USB端口支持，則通過(guò)在電流設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中打開(kāi)N1和R1來(lái)增加充電電流。高電平電荷標(biāo)稱值設(shè)置為425mA，以避免在考慮容差后超過(guò)SDP 500mA限值。充電器還包括一個(gè)自動(dòng)啟動(dòng)電路，該電路提供輸出信號(hào) （ABO），在連接外部電源時(shí)通知系統(tǒng)。雖然USB兼容，但圖6未包含BC1.1，因此需要枚舉才能充電。

圖6.MAX8814為USB設(shè)備提供簡(jiǎn)單的低引腳數(shù)充電方式。枚舉由系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)使用 ISET 引腳監(jiān)視和控制充電電流。此設(shè)計(jì)與 USB 兼容，但不包含 BC1.1，因此需要枚舉才能充電。

其他收費(fèi)策略

USB電池充電的前景可能很復(fù)雜。便攜式 USB 連接設(shè)備不遵循一種格式，并且受到各種限制 - 尺寸、成本和充電時(shí)間最為明顯。對(duì)這些和其他更微妙的問(wèn)題進(jìn)行排名可以幫助您選擇 USB 充電器設(shè)計(jì)。這些其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)包括：

一旦使用外部（USB 或適配器）電源，設(shè)備是否能夠在電池沒(méi)電的情況下進(jìn)行全功能操作？

USB 和適配器電源是否需要單獨(dú)的輸入連接？

設(shè)備是否具有計(jì)算能力和固件來(lái)協(xié)商與 USB 端口的充電決策？

是否可以暫時(shí)降低充電電流以減少散熱，還是需要開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)？

需要采取哪些輸入保護(hù)措施？

多輸入充電

使用 BC1.1，設(shè)備可以僅從 USB 定義的源充電。這些設(shè)備變得越來(lái)越普遍，但您可能仍然希望保留使用普通的、可能不符合 USB 標(biāo)準(zhǔn)的適配器充電的選項(xiàng)。這最好使用雙輸入充電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)外部電源接管另一個(gè)外部電源時(shí)，該充電器處理切換。過(guò)去，電源切換通常由有損OR-ing二極管或分立MOSFET比較器電路完成，當(dāng)考慮“潛入”電流路徑和開(kāi)關(guān)時(shí)序時(shí)，這些電路可能會(huì)變得復(fù)雜。幸運(yùn)的是，許多充電器IC（圖7）現(xiàn)在都包含電源切換控制。集成此功能不僅僅是更換外部組件。它還改善了電源變化期間的轉(zhuǎn)換行為，因?yàn)榧沙潆娖髦狼袚Q電路正在做什么。

圖7.像MAX8844這樣的雙輸入充電器可處理USB和適配器電源的充電。該器件還可防止高達(dá) 28V 的輸入過(guò)壓。

接受來(lái)自多個(gè)電源的充電器（尤其是使用通用套管連接器的充電器）的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是可能連接到不正確的適配器。為此，MAX8844可防止對(duì)超過(guò)7.5V的輸入進(jìn)行充電。它還可以承受和阻止高達(dá) 28V 的輸入。這可以保護(hù)電池、充電器和下游電路，防止意外連接到幾乎任何已知的適配器類(lèi)型。此外，MAX8844還包括過(guò)壓保護(hù)LDO，由USB和適配器（IN）輸入偏置，可為系統(tǒng)提供30mA電流。無(wú)論充電器是否啟用，這些LDO輸出（SAFEUSB和SAFEOUT）都保持打開(kāi)狀態(tài)。該設(shè)備執(zhí)行的其他充電器功能是電池檢測(cè);熱限制可降低充電電流，以在極端環(huán)境溫度下保持較低的芯片溫度;以及一個(gè)自動(dòng)引導(dǎo)邏輯輸出，在施加外部電源時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)。

電池負(fù)載切換（智能電源）與直接連接

在USB和適配器供電的充電應(yīng)用中，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策是充電電路是直接連接到電池和系統(tǒng)負(fù)載，還是在連接外部電源時(shí)是否需要額外的開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)電池與系統(tǒng)的連接。這兩種情況如圖 8 所示。

圖8.直接連接充電和ADI公司智能電源選擇器圖示?科技。

直接連接架構(gòu)是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方式。如果電池深度放電然后使用外部電源，則其主要缺點(diǎn)會(huì)浮出水面。在這種情況下，系統(tǒng)可能無(wú)法啟動(dòng)，直到電池達(dá)到可接受的水平。在某些應(yīng)用中，用戶可能可以等到電池部分充電后再恢復(fù)全部功能;然而，在其他應(yīng)用中，無(wú)論電池狀態(tài)如何，外部電源連接立即操作都是“必須的”。在后一種情況下，ADI公司的智能電源選擇器技術(shù)允許系統(tǒng)在電池處于深度放電狀態(tài)時(shí)使用外部電源。參見(jiàn)圖 9。

圖9.具有智能電源選擇功能的雙輸入U(xiǎn)SB/適配器充電器（如MAX8934）可在外部電源接通時(shí)立即為系統(tǒng)供電，同時(shí)為沒(méi)電的電池充電。

在圖9中，系統(tǒng)負(fù)載輸出（SYS）和電池（BAT）之間的低電阻（40mΩ）片內(nèi)MOSFET在充電和放電操作期間提供多種功能。在充電過(guò)程中，此智能電源選擇器開(kāi)關(guān)充分利用有限的USB或適配器電源，利用系統(tǒng)不需要的輸入電源為電池充電。它還允許電池用作存儲(chǔ)緩沖器，提供可能暫時(shí)超過(guò)輸入電流限值的負(fù)載峰值。在放電期間，開(kāi)關(guān)提供從電池到系統(tǒng)的低損耗路徑。

系統(tǒng)軟件再次處理與USB主機(jī)的通信，并向充電器發(fā)送命令。MAX8394管理充電的硬件方面，并提供簡(jiǎn)單的掛鉤，用于設(shè)置USB和適配器充電相關(guān)的充電參數(shù)。預(yù)設(shè)USB輸入電流限值，以確保不超過(guò)指定的限值;用戶設(shè)置的電流用于適配器。充電器還向系統(tǒng)提供一套完整的狀態(tài)和故障信號(hào)。

MAX8934具有最新的充電安全特性，包括日本電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)（JEITA）概述的新的溫度相關(guān)充電協(xié)議，可在高溫下停止或減少充電。此外，輸入具有高達(dá) 16V 的過(guò)壓保護(hù) （OVP），該器件通過(guò)在極端條件下限制充電電流來(lái)限制溫升。

開(kāi)關(guān)模式以最少的熱量快速充電高達(dá) 2A

一些緊湊型設(shè)備需要高充電電流（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1A），但不能容忍這些充電速率在線性充電器中產(chǎn)生的多余熱量。在這些情況下，MAX8903（圖10）工作在4MHz DC-DC轉(zhuǎn)換器，保持元件占位面積小，同時(shí)仍從適配器電源向電池提供高達(dá)2A的電流。與MAX8934一樣，MAX8903為雙輸入設(shè)計(jì)，通過(guò)單獨(dú)的連接容納USB和適配器輸入。電源之間的切換是自動(dòng)的，輸入電源和電池電源之間的切換也是自動(dòng)的。

圖 10.MAX8903開(kāi)關(guān)模式充電器具有智能電源選擇器功能，可從適配器輸入端充電，從USB源充電電流高達(dá)2A，從USB電源充電電流高達(dá)500mA。

MAX8903的4MHz開(kāi)關(guān)速率使開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的無(wú)源元件保持極小，因此，一旦考慮到較低的功率損耗，用該器件制成的2A充電器可以小于線性等效充電器。事實(shí)上，由于散熱，大多數(shù)便攜式設(shè)備在任何情況下都不會(huì)容忍2A線性充電器設(shè)計(jì)。

內(nèi)置過(guò)壓和反極性保護(hù)

盡管 USB 充電規(guī)范對(duì)電源適配器和充電器領(lǐng)域施加了一些秩序，但 USB 設(shè)計(jì)對(duì)于便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)普遍混亂的環(huán)境，特別是對(duì)于那些選擇使用無(wú)處不在的桶形連接器供電的應(yīng)用（在許多僅適配器和雙輸入設(shè)備上很常見(jiàn)）。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，連接“找到的”適配器太容易了，該適配器可能具有錯(cuò)誤的輸出電壓甚至錯(cuò)誤的極性。通過(guò)在充電器電源輸入端集成22V正負(fù)保護(hù)，MAX8900無(wú)需外部保護(hù)器件或MOSFET開(kāi)關(guān)即可滿足這些設(shè)計(jì)的需求（圖11）。

圖 11.直接連接開(kāi)關(guān)模式充電器，具有±22V過(guò)壓和反極性保護(hù)。

MAX8900為直插式充電器，系統(tǒng)通常連接電池。其 3.25MHz 開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)使組件保持小巧，同時(shí)以高達(dá) 1.2A 的電流充電，散熱最小。除了雙極性輸入保護(hù)外，還根據(jù)JEITA指南調(diào)整充電參數(shù)作為溫度的函數(shù)，從而提高了電池安全性。

鎳氫從 USB 充電

圖 12.1節(jié)鎳氫USB供電開(kāi)關(guān)模式充電器。

盡管Li+電池似乎已經(jīng)接管了便攜式世界，但NiMH電池并沒(méi)有停滯不前。令人驚訝的是，每體積的NiMH能量?jī)H比Li+低約15%，盡管每重量的能量仍然要低得多。NiMH的最大弱點(diǎn)是其高自放電，這在很大程度上可以通過(guò)混合NiMH電池來(lái)解決，例如SANYO Eneloop電池，一年后保留高達(dá)85%的電荷。NiMH電池的吸引力在于成本，安全性和易于用戶更換，至少在使用標(biāo)準(zhǔn)電池時(shí)是這樣。??

圖 12 顯示了一個(gè)小型便攜式設(shè)備，它由一個(gè) AA NiMH 電池供電，并通過(guò) USB 充電。DS2710充電器的開(kāi)關(guān)頻率約為150kHz，電池充電電流為1.1A （典型AA NiMH電池約為0.5°C）。該電路進(jìn)入電池的電流（1.1A）比從USB端口（500mA）獲得的電流更大，因?yàn)榻祲罕葘?V（500mA）轉(zhuǎn)換為1.5V/1.1A。應(yīng)該注意的是，充電只能通過(guò)500mA或更大的端口進(jìn)行，因?yàn)樵诘统潆娝俾氏聼o(wú)法保證正確的充電終止。因此，當(dāng)枚舉確定只有100mA可用時(shí)，不應(yīng)激活充電。系統(tǒng)通過(guò)關(guān)閉Q2使定時(shí)器電阻浮出TMR來(lái)停用充電器。

該充電器的另一個(gè)特別有用的功能是，它可以感應(yīng)電池阻抗，以確定是否插入了堿性電池或故障電池。如果發(fā)生這種情況，充電將暫停。這允許最終用戶在緊急情況下插入堿性電池，而不必?fù)?dān)心意外充電。

USB 3.0 接口

USB 3.0規(guī)范為USB帶來(lái)了更高的數(shù)據(jù)速率。該規(guī)范的功率方面與USB 2.0相似，只是“單位負(fù)載”從100mA提高到150mA，高功率端口必須提供六個(gè)而不是五個(gè)單位負(fù)載。這意味著低功耗USB 3.0端口可以提供150mA，高功率USB 3.0端口可以提供900mA。

“作弊”— 不合規(guī)的 USB 充電

與任何用于最初非預(yù)期目的的標(biāo)準(zhǔn)一樣，制造商有時(shí)會(huì)忽略USB 2.0要求的一部分，以便提供至少有限形式的充電。一家大型制造商采用的一種不合規(guī)方案是在任何情況下消耗不超過(guò)100mA的電流，這樣高功率和低功率集線器都不會(huì)過(guò)載。將電流限制在此水平的缺點(diǎn)是電池充電時(shí)間很長(zhǎng)，但如果設(shè)備在一天中的大部分時(shí)間都?？吭赨SB端口上，則可能仍然足夠。除了較長(zhǎng)的充電時(shí)間外，這種方法還有另一個(gè)限制：如果系統(tǒng)的電池沒(méi)電了，則全部功能將被延遲，直到電池達(dá)到足夠的充電水平。

不合規(guī)充電的另一個(gè)方面與USB掛起的處理有關(guān)。USB 2.0規(guī)定，在總線不活動(dòng)一段時(shí)間后，所有設(shè)備必須掛起（消耗小于2.5mA）。由于在編寫(xiě)本文時(shí)從未包括充電，因此沒(méi)有考慮設(shè)備在關(guān)閉時(shí)繼續(xù)為電池充電，但仍連接。但是，由于大多數(shù)USB主機(jī)實(shí)際上并沒(méi)有關(guān)閉電源，因此這種違反規(guī)范的行為很少阻止充電。

更大膽的不合規(guī)方案假設(shè) 500mA 可用，并指示用戶僅插入能夠提供 500mA 的供電端口和集線器。同樣，由于大多數(shù)USB端口不會(huì)斷開(kāi)電源，因此這種方法在大多數(shù)情況下都有效。當(dāng)這樣的設(shè)備插入不支持500mA的端口時(shí)，該端口應(yīng)該關(guān)閉。但是，USB端口的過(guò)載行為并不總是很好定義，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)重置或損壞。幸運(yùn)的是，不再需要這種程度的絕望，因?yàn)殡姵爻潆姮F(xiàn)在是USB規(guī)范的一個(gè)活躍部分。

從 USB 充電可以采取多種形式，具體取決于每個(gè) USB 設(shè)備的獨(dú)特要求。USB 電池充電規(guī)范。修訂版 1.1 最終為以前是臨時(shí)收費(fèi)活動(dòng)增加了急需的統(tǒng)一性。采用BC1.1應(yīng)該會(huì)降低制造商和消費(fèi)者的成本，并隨著標(biāo)準(zhǔn)適配器的出現(xiàn)而提高互操作性。然而，USB指南僅涵蓋如何從端口獲取電源;它們?nèi)匀粚㈦娫垂芾砑軜?gòu)和充電細(xì)節(jié)留給解釋。這就是ADI公司廣泛的充電設(shè)備變得重要的地方，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭涌鞛閹缀跞魏蜺SB連接的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)安全可靠的電池充電器。

表1總結(jié)了已討論的充電器。

裝置	自動(dòng)適配器檢測(cè)	切換模式	輸入數(shù)量	智能電源選擇器功能	過(guò)壓保護(hù) （V）	評(píng)論
MAX8895		—	1		+16	—
MAX8814	—	—	1	—	+28	8 針器件
MAX8844	—	—	2	—	+28	—
MAX8934	—	—	2		+16	符合JEITA安全標(biāo)準(zhǔn)
MAX8903	—		2		+16	4兆赫直流-直流
MAX8900	—		1	—	±22	負(fù)輸入保護(hù)
DS2710	—		1	—	—	鎳氫

審核編輯：郭婷