USB電池充電指南

USB接口規(guī)范表明該接口能夠?yàn)樵O(shè)備供電，隨著并口向串口的轉(zhuǎn)變，各種設(shè)備發(fā)生了戲劇性的變化，能夠方便地與PC機(jī)連接。

除了直接對(duì)USB設(shè)備供電，USB電源最有用的功能之一就是對(duì)電池充電。許多便攜設(shè)備，如MP3播放機(jī)、PDA等，都需要與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如果在與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，能夠利用同一根電纜對(duì)電池充電，會(huì)極大地方便設(shè)備的使用。將USB功能與電池充電功能結(jié)合能夠使大量設(shè)備免受電源線的束縛，如可移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)，無(wú)論是否與PC相連都可以工作。在許多情況下，都不再需要那些曾經(jīng)使用過(guò)的、笨拙的交流適配器。

USB電池充電可能很復(fù)雜，也可能很簡(jiǎn)單，這取決于USB設(shè)備的要求。影響設(shè)計(jì)的因素不僅包括通常的成本、尺寸、重量等。其它重要因素還包括：1) 電池耗盡的設(shè)備插入U(xiǎn)SB端口時(shí)，要求多快開(kāi)始全功能運(yùn)行；2) 允許電池充電的時(shí)間；3) 在USB功率限制范圍內(nèi)的功率分配；4) 是否需要一個(gè)交流適配器充電。這些問(wèn)題和相應(yīng)解決方案會(huì)在討論USB的功率問(wèn)題后進(jìn)行研究。

USB功率

所有USB主機(jī)，如PC機(jī)和筆記本電腦，每個(gè)USB插孔都能支持最少500mA電流輸出或驅(qū)動(dòng)5個(gè)“單位負(fù)載”。在USB術(shù)語(yǔ)中，“一個(gè)單位負(fù)載”是100mA。自帶電源的USB集線器也能驅(qū)動(dòng)5個(gè)單位負(fù)載?？偩€驅(qū)動(dòng)的USB集線器只能保證驅(qū)動(dòng)一個(gè)單位負(fù)載(100mA)。按照?qǐng)D1所示的USB規(guī)范，由USB主機(jī)或帶電源的集線器提供的，電纜外設(shè)端的最小可用電壓為4.5V，而由USB總線驅(qū)動(dòng)的集線器提供的最小電壓為4.35V。用這些電壓對(duì)充電電壓典型要求為4.2V的Li+電池充電時(shí)，只有很小的裕度，這使得充電器的壓降變得極為重要。

圖1. 摘自通用串行總線規(guī)范2.0版的USB壓降示意圖

所有接入U(xiǎn)SB端口的設(shè)備啟動(dòng)時(shí)消耗電流都不能超過(guò)100mA。與主機(jī)進(jìn)行通信后，設(shè)備才能決定是否可以用足500mA電流。

USB外設(shè)的插座分兩種，都比PC機(jī)和普通USB主機(jī)的插座小?！癇系列”和更小的“Mini-B系列”插座如圖2所示，B系列由引腳1 (+5V)和4 (GND)供電，Mini-B系列由引腳1 (+5V)和5 (GND)供電

圖2. 這些USB外設(shè)插座不同于較大尺寸的主機(jī)和集線器4引腳插座，電源和數(shù)據(jù)引腳如圖所示

一旦與主機(jī)連接，所有USB設(shè)備都必須首先讓主機(jī)識(shí)別自己。這一動(dòng)作被稱為枚舉。在本文結(jié)尾處專門討論了實(shí)際中此規(guī)則的例外情況。在識(shí)別過(guò)程中，主機(jī)決定接受或拒絕USB設(shè)備的功率要求，如果接受，可以將設(shè)備的電流從最大100mA增加到最大500mA。

簡(jiǎn)單的USB/交流適配器充電

一些最基本的設(shè)備不需要軟件開(kāi)銷來(lái)管理和優(yōu)化對(duì)USB電源的使用。如果設(shè)備負(fù)載電流限制在100mA以內(nèi)，任何USB主機(jī)，自帶電源的集線器，或總線驅(qū)動(dòng)的集線器都可以驅(qū)動(dòng)。這類設(shè)計(jì)，可采用圖3所示的一個(gè)基本充電器加一個(gè)穩(wěn)壓器的配置。

圖3. 使用簡(jiǎn)單的100mA USB充電和350mA交流適配器充電，USB充電電流不超過(guò)一個(gè)單位負(fù)載(100mA)，不需對(duì)充電器枚舉。3.3V系統(tǒng)負(fù)載始終取自電池。

這電路中，設(shè)備何時(shí)與USB或交流適配器連接，何時(shí)開(kāi)始對(duì)電池充電。同時(shí)系統(tǒng)負(fù)載一直保持與電池相連，在此例中通過(guò)一個(gè)最大可提供200mA電流的簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器(U2)。如果系統(tǒng)持續(xù)消耗如此大的電流，而電池只以100mA的電流通過(guò)USB充電，最終電池還是會(huì)因負(fù)載電流大于充電電流而放電。在許多小型系統(tǒng)中，負(fù)載峰值電流僅在整個(gè)工作期間的部分時(shí)段發(fā)生。因此，只要平均負(fù)載電流小于充電電流，電池仍然會(huì)被充電。連接交流適配器時(shí)，充電器(U1)的最大電流上升到350mA。如果USB與交流適配器同時(shí)連接，自動(dòng)給予交流適配器優(yōu)先權(quán)。

USB規(guī)范要求U1具備的一個(gè)特性(而且，一般來(lái)講對(duì)于充電器也是有利的)是電流不允許從電池或另一個(gè)電源回流到電源輸入端。在傳統(tǒng)的充電器中，可通過(guò)輸入二極管保證，但USB最小電壓(4.35V)與Li+電池充電所需電壓(4.2V)之間差異太小，以致肖特基二極管也不適用。因此，所有回流路徑在U1的IC內(nèi)部被阻止。

圖3所示電路受到一些限制，也許不適用于某些可充電的USB設(shè)備。最明顯的限制是相對(duì)較低的充電電流，如果Li+電池的容量大于幾百毫安時(shí)，充電時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)。第二個(gè)限制是由于負(fù)載(線性穩(wěn)壓器的輸入)總是與電池相連。在此例中，如果電池已深度放電，設(shè)備加電時(shí)也許不能立即開(kāi)始工作。這是因?yàn)殡姵剡_(dá)到設(shè)備工作所需的電壓前有一定的延遲時(shí)間。

負(fù)載切換和其它改進(jìn)

在更先進(jìn)的系統(tǒng)中，需要對(duì)充電器內(nèi)部和外圍電路進(jìn)行多處改進(jìn)，這些改進(jìn)可能包括：可選的充電電流，以便匹配源(USB或交流適配器)或電池的電流能力；電源接入時(shí)的負(fù)載切換；以及過(guò)壓保護(hù)。圖4所示的電路中，利用充電器IC內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)器驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，實(shí)現(xiàn)了部分上述功能。

圖4. SOT-23封裝的功率MOSFET增加了如過(guò)壓保護(hù)、使用外接電源時(shí)電池離線等有益的特性。電池離線時(shí)由工作電源直接供電。

MOSFET Q1和Q2，二極管D1和D2繞過(guò)電池，直接將可用的電源(USB或交流適配器)連接到負(fù)載。當(dāng)某個(gè)電源輸入有效時(shí)，其監(jiān)視輸出(UOK或DCOK)變低，相應(yīng)的MOSFET管導(dǎo)通。當(dāng)兩個(gè)輸入都有效時(shí)，DC輸入優(yōu)先使用。U1可防止兩個(gè)輸入同時(shí)被使用。二極管D1和D2用來(lái)阻斷系統(tǒng)負(fù)載供電通路與輸入之間的反向電流。而充電器內(nèi)部電路可以阻斷充電通路(BATT)的反向電流。

MOSFET Q2還可提供交流適配器過(guò)壓保護(hù)，保護(hù)電壓最高達(dá)18V。欠壓/過(guò)壓監(jiān)視器(在DC端)只允許交流適配器電壓在4V至6.25V之間時(shí)對(duì)電池充電。

最后一個(gè)MOSFET，Q3，在沒(méi)有有效的外部電源接入時(shí)導(dǎo)通，用電池向負(fù)載供電。當(dāng)USB或DC電源任何一個(gè)接入時(shí)，“電源通”(PON)輸出立即關(guān)閉Q3，將電池與負(fù)載斷開(kāi)。這樣當(dāng)有外部電源接入時(shí)，即使電池深度放電或已損壞，系統(tǒng)仍能立即開(kāi)始工作。

USB設(shè)備連接時(shí)，先與主機(jī)通信決定負(fù)載電流是否可以增加，如果被允許，負(fù)載電流可以從開(kāi)始時(shí)的一個(gè)單位負(fù)載上升到五個(gè)單位負(fù)載。5比1的電流范圍對(duì)不是專為USB設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)充電器來(lái)說(shuō)可能會(huì)有問(wèn)題。問(wèn)題在于傳統(tǒng)充電器的電流精度，盡管在高電流時(shí)精度足夠，但在低電流時(shí)會(huì)受到電流傳感電路失調(diào)的影響。結(jié)果可能是為了保證充電電流在低端(一個(gè)單位負(fù)載)不超過(guò)100mA限制，電流必須被設(shè)置在非常低的水平，從而導(dǎo)致無(wú)法使用。例如，對(duì)于精度為10%的500mA電流，為了保證不超過(guò)500mA，輸出只能設(shè)置為450mA。僅就這一點(diǎn)而言還是可以接受的，但是，為了保證在低端的充電電流不超過(guò)100mA，平均電流只能設(shè)置成50mA。最低值可能會(huì)低至0mA，顯然這是無(wú)法接受的。如果要求USB充電在兩個(gè)范圍內(nèi)都有效，就需要有足夠的精度，以便提供盡可能大的充電電流，同時(shí)又不超越USB的限制。

在一些設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)功率需求的關(guān)系，不可能用低于500mA的USB預(yù)算功率分別對(duì)負(fù)載供電和對(duì)電池充電。但是，使用交流適配器沒(méi)有問(wèn)題。圖5所示電路，是圖4電路的簡(jiǎn)化，用一個(gè)高性價(jià)比的方案滿足了這一需求。USB電源并不直接與負(fù)載連接；充電和系統(tǒng)運(yùn)行仍然使用USB電源，但系統(tǒng)保持與電池連接。此設(shè)計(jì)的局限性與圖3所示電路相同——如果USB接入時(shí)電池已深度放電，系統(tǒng)要經(jīng)過(guò)一定延遲才能正常工作。但如果連接DC電源，圖5電路能夠以同圖4電路一樣的方式工作，無(wú)論電池狀態(tài)如何都不需等待。這是因?yàn)镼2被關(guān)斷，系統(tǒng)負(fù)載由電池切換到了通過(guò)D1的DC輸入上。

圖5. 一個(gè)簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)，USB電源并不與負(fù)載直接相連，但DC輸入與負(fù)載直接相連。當(dāng)連接USB時(shí)，系統(tǒng)仍然采用電池供電，而同時(shí)電池被充電。

鎳氫電池充電

盡管Li+電池能為大多數(shù)便攜式信息終端提供最佳性能，但鎳氫(NiMH)電池仍為最低成本的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可行的選擇。當(dāng)負(fù)載要求不太高時(shí)，使用鎳氫電池是一個(gè)降低成本的好方法。這需要使用一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器將1.3V的電池電壓升至設(shè)備可使用的電壓，典型為3.3V。因?yàn)槿魏坞姵毓╇娫O(shè)備都需要某種類型的穩(wěn)壓器，而DC-DC僅是一種不同類型的穩(wěn)壓器，并不是額外增加的。

圖6所示電路使用了一種不尋常的方法來(lái)對(duì)NiMH電池充電，并且在不使用外接FET的情況下，在USB輸入和電池之間切換對(duì)系統(tǒng)負(fù)載的供電。“充電器”實(shí)際上是一個(gè)電流受限的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器(U1)，它用300mA至400mA的電流對(duì)電池充電。盡管不是一個(gè)精確的電流源，但其適度的電流控制精度仍能滿足充電要求，即使電池短路也能保持對(duì)電流的控制。使用DC-DC充電相比更常見(jiàn)的線性電路，一個(gè)很大的優(yōu)越性就在于能夠高效地利用有限的USB功率。當(dāng)以400mA電流對(duì)一節(jié)NiMH電池充電時(shí)，電路僅從USB輸入端汲取150mA的電流。在充電的同時(shí)留出了350mA電流可供系統(tǒng)使用。

圖6. 一個(gè)簡(jiǎn)單的NiMH充電/供電電路，不需使用復(fù)雜的MOSFET開(kāi)關(guān)就可自動(dòng)切換到USB供電。

負(fù)載由電池到USB的切換，是通過(guò)USB電源與boost轉(zhuǎn)換器輸出之間用二極管(D1) “或”實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)USB斷開(kāi)時(shí)，boost轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3.3V輸出。USB連接時(shí)，D1將DC-DC升壓器(U2)輸出拉升至約4.7V。U2輸出被拉升時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷，關(guān)斷后從電池汲取的電流不超過(guò)1μA。如果不允許接入U(xiǎn)SB時(shí)輸出從3.3V變成4.7V，可用一個(gè)線性穩(wěn)壓器與D1串聯(lián)。

此電路的一個(gè)局限是要依賴系統(tǒng)控制結(jié)束充電。U1僅作為一個(gè)電流源，如果不加限制，會(huì)對(duì)電池過(guò)度充電。R1和R2設(shè)置U1最大輸出電壓為2V，作為一個(gè)安全界限。充電使能輸入端被系統(tǒng)用來(lái)終止對(duì)電池充電。另外，因?yàn)?50mA的充電器輸入電流大于一個(gè)單位負(fù)載，如果需要，在枚舉之前還可作為降低USB負(fù)載電流的手段。

鮮為人知的USB特性

有趣的是無(wú)論任何標(biāo)準(zhǔn)，都能看到實(shí)際應(yīng)用與印刷出來(lái)的規(guī)范有一定差異，或規(guī)范沒(méi)有定義的部分得到很大發(fā)展。盡管USB在大部分時(shí)間毫無(wú)疑問(wèn)都是經(jīng)過(guò)深思熟慮的、可靠的、有用的標(biāo)準(zhǔn)之一，但也不能不受現(xiàn)實(shí)世界的影響。這里提供一些觀察到的USB特性，也許不明顯，但仍會(huì)影響電源的設(shè)計(jì)。

USB端口并不限制電流。盡管USB規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了每個(gè)USB端口必須提供多少電流，但對(duì)于它能夠提供多少電流，規(guī)范給出的界限卻極為寬泛。盡管定義了電流上限不能超過(guò)5A，但一個(gè)明智的設(shè)計(jì)者不應(yīng)該依賴于這個(gè)信息。任何情況下，都不認(rèn)為每個(gè)USB端口會(huì)將它的輸出電流限制在500mA，或附近的一個(gè)值。實(shí)際上，USB端口輸出的電流經(jīng)常超過(guò)幾安培，因?yàn)槎喽丝谙到y(tǒng)(如PC機(jī))經(jīng)常只有一個(gè)保護(hù)器件公用于所有的端口。保護(hù)器件被設(shè)定在所有端口總額定功率之上。因此，一個(gè)4端口系統(tǒng)，如果其余3個(gè)端口未被使用，一個(gè)端口就可提供超過(guò)2A的電流。此外，盡管一些PC機(jī)使用精度為10%至20%的IC保護(hù)方案，其它大多使用非常不精確的自復(fù)保險(xiǎn)絲，只有負(fù)載功率超出額定值100%或更高時(shí)才會(huì)觸發(fā)。

USB端口很少(從不)關(guān)斷電源。USB規(guī)范對(duì)此并沒(méi)有說(shuō)明，但人們時(shí)常認(rèn)為如果枚舉失敗，或遇到其它軟件或固件問(wèn)題，USB電源可能被關(guān)斷。但實(shí)際情況是，除非有電路故障(如短路)，沒(méi)有USB主機(jī)會(huì)關(guān)斷USB電源。也許會(huì)有例外，但是目前還沒(méi)有見(jiàn)到。筆記本和主板生產(chǎn)商甚至不愿意為故障保護(hù)買單，更不用說(shuō)智能電源切換了。因此，無(wú)論USB外設(shè)與主機(jī)的對(duì)話是否發(fā)生，5V一直可以利用(電流為500mA或100mA，也許為2A或更高)。USB供電的閱讀燈、咖啡杯加熱器以及其他一些諸如此類沒(méi)有任何通信能力的產(chǎn)品的出現(xiàn)就證明了這一點(diǎn)。它們可能并不“守規(guī)”，但它們工作的很好。

審核編輯：郭婷