USB電池充電指南

USB接口規(guī)范表明該接口能夠為設(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機連接。

除了直接對USB設(shè)備供電，USB電源最有用的功能之一就是對電池充電。許多便攜設(shè)備，如MP3播放機、PDA等，都需要與PC機進行數(shù)據(jù)交換，如果在與PC機進行數(shù)據(jù)交換的同時，能夠利用同一根電纜對電池充電，會極大地方便設(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，如可移動網(wǎng)絡(luò)照相機，無論是否與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，也可能很簡單，這取決于USB設(shè)備的要求。影響設(shè)計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USB端口時，要求多快開始全功能運行；2) 允許電池充電的時間；3) 在USB功率限制范圍內(nèi)的功率分配；4) 是否需要一個交流適配器充電。這些問題和相應(yīng)解決方案會在討論USB的功率問題后進行研究。

USB功率

所有USB主機，如PC機和筆記本電腦，每個USB插孔都能支持最少500mA電流輸出或驅(qū)動5個“單位負載”。在USB術(shù)語中，“一個單位負載”是100mA。自帶電源的USB集線器也能驅(qū)動5個單位負載?？偩€驅(qū)動的USB集線器只能保證驅(qū)動一個單位負載(100mA)。按照圖1所示的USB規(guī)范，由USB主機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)動的集線器提供的最小電壓為4.35V。用這些電壓對充電電壓典型要求為4.2V的Li+電池充電時，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USB端口的設(shè)備啟動時消耗電流都不能超過100mA。與主機進行通信后，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機和普通USB主機的插座小?！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

一旦與主機連接，所有USB設(shè)備都必須首先讓主機識別自己。這一動作被稱為枚舉。在本文結(jié)尾處專門討論了實際中此規(guī)則的例外情況。在識別過程中，主機決定接受或拒絕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)備不需要軟件開銷來管理和優(yōu)化對USB電源的使用。如果設(shè)備負載電流限制在100mA以內(nèi)，任何USB主機，自帶電源的集線器，或總線驅(qū)動的集線器都可以驅(qū)動。這類設(shè)計，可采用圖3所示的一個基本充電器加一個穩(wěn)壓器的配置。

圖3. 使用簡單的100mA USB充電和350mA交流適配器充電，USB充電電流不超過一個單位負載(100mA)，不需對充電器枚舉。3.3V系統(tǒng)負載始終取自電池。

這電路中，設(shè)備何時與USB或交流適配器連接，何時開始對電池充電。同時系統(tǒng)負載一直保持與電池相連，在此例中通過一個最大可提供200mA電流的簡單的線性穩(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USB充電，最終電池還是會因負載電流大于充電電流而放電。在許多小型系統(tǒng)中，負載峰值電流僅在整個工作期間的部分時段發(fā)生。因此，只要平均負載電流小于充電電流，電池仍然會被充電。連接交流適配器時，充電器(U1)的最大電流上升到350mA。如果USB與交流適配器同時連接，自動給予交流適配器優(yōu)先權(quán)。

USB規(guī)范要求U1具備的一個特性(而且，一般來講對于充電器也是有利的)是電流不允許從電池或另一個電源回流到電源輸入端。在傳統(tǒng)的充電器中，可通過輸入二極管保證，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較低的充電電流，如果Li+電池的容量大于幾百毫安時，充電時間就會很長。第二個限制是由于負載(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)備加電時也許不能立即開始工作。這是因為電池達到設(shè)備工作所需的電壓前有一定的延遲時間。

負載切換和其它改進

在更先進的系統(tǒng)中，需要對充電器內(nèi)部和外圍電路進行多處改進，這些改進可能包括：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；電源接入時的負載切換；以及過壓保護。圖4所示的電路中，利用充電器IC內(nèi)部的電壓監(jiān)測器驅(qū)動外部MOSFET，實現(xiàn)了部分上述功能。

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

MOSFET Q1和Q2，二極管D1和D2繞過電池，直接將可用的電源(USB或交流適配器)連接到負載。當某個電源輸入有效時，其監(jiān)視輸出(UOK或DCOK)變低，相應(yīng)的MOSFET管導通。當兩個輸入都有效時，DC輸入優(yōu)先使用。U1可防止兩個輸入同時被使用。二極管D1和D2用來阻斷系統(tǒng)負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壓保護，保護電壓最高達18V。欠壓/過壓監(jiān)視器(在DC端)只允許交流適配器電壓在4V至6.25V之間時對電池充電。

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

USB設(shè)備連接時，先與主機通信決定負載電流是否可以增加，如果被允許，負載電流可以從開始時的一個單位負載上升到五個單位負載。5比1的電流范圍對不是專為USB設(shè)計的傳統(tǒng)充電器來說可能會有問題。問題在于傳統(tǒng)充電器的電流精度，盡管在高電流時精度足夠，但在低電流時會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(一個單位負載)不超過100mA限制，電流必須被設(shè)置在非常低的水平，從而導致無法使用。例如，對于精度為10%的500mA電流，為了保證不超過500mA，輸出只能設(shè)置為450mA。僅就這一點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100mA，平均電流只能設(shè)置成50mA。最低值可能會低至0mA，顯然這是無法接受的。如果要求USB充電在兩個范圍內(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，同時又不超越USB的限制。

在一些設(shè)計中，由于系統(tǒng)功率需求的關(guān)系，不可能用低于500mA的USB預(yù)算功率分別對負載供電和對電池充電。但是，使用交流適配器沒有問題。圖5所示電路，是圖4電路的簡化，用一個高性價比的方案滿足了這一需求。USB電源并不直接與負載連接；充電和系統(tǒng)運行仍然使用USB電源，但系統(tǒng)保持與電池連接。此設(shè)計的局限性與圖3所示電路相同——如果USB接入時電池已深度放電，系統(tǒng)要經(jīng)過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，無論電池狀態(tài)如何都不需等待。這是因為Q2被關(guān)斷，系統(tǒng)負載由電池切換到了通過D1的DC輸入上。

圖5. 一個簡化的設(shè)計，USB電源并不與負載直接相連，但DC輸入與負載直接相連。當連接USB時，系統(tǒng)仍然采用電池供電，而同時電池被充電。

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)計提供了一個可行的選擇。當負載要求不太高時，使用鎳氫電池是一個降低成本的好方法。這需要使用一個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。因為任何電池供電設(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對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系統(tǒng)負載的供電。“充電器”實際上是一個電流受限的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器(U1)，它用300mA至400mA的電流對電池充電。盡管不是一個精確的電流源，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電流的控制。使用DC-DC充電相比更常見的線性電路，一個很大的優(yōu)越性就在于能夠高效地利用有限的USB功率。當以400mA電流對一節(jié)NiMH電池充電時，電路僅從USB輸入端汲取150mA的電流。在充電的同時留出了350mA電流可供系統(tǒng)使用。

圖6. 一個簡單的NiMH充電/供電電路，不需使用復(fù)雜的MOSFET開關(guān)就可自動切換到USB供電。

負載由電池到USB的切換，是通過USB電源與boost轉(zhuǎn)換器輸出之間用二極管(D1) “或”實現(xiàn)的。當USB斷開時，boost轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3.3V輸出。USB連接時，D1將DC-DC升壓器(U2)輸出拉升至約4.7V。U2輸出被拉升時會自動關(guān)斷，關(guān)斷后從電池汲取的電流不超過1μA。如果不允許接入USB時輸出從3.3V變成4.7V，可用一個線性穩(wěn)壓器與D1串聯(lián)。

此電路的一個局限是要依賴系統(tǒng)控制結(jié)束充電。U1僅作為一個電流源，如果不加限制，會對電池過度充電。R1和R2設(shè)置U1最大輸出電壓為2V，作為一個安全界限。充電使能輸入端被系統(tǒng)用來終止對電池充電。另外，因為150mA的充電器輸入電流大于一個單位負載，如果需要，在枚舉之前還可作為降低USB負載電流的手段。

鮮為人知的USB特性

有趣的是無論任何標準，都能看到實際應(yīng)用與印刷出來的規(guī)范有一定差異，或規(guī)范沒有定義的部分得到很大發(fā)展。盡管USB在大部分時間毫無疑問都是經(jīng)過深思熟慮的、可靠的、有用的標準之一，但也不能不受現(xiàn)實世界的影響。這里提供一些觀察到的USB特性，也許不明顯，但仍會影響電源的設(shè)計。

USB端口并不限制電流。盡管USB規(guī)范詳細規(guī)定了每個USB端口必須提供多少電流，但對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5A，但一個明智的設(shè)計者不應(yīng)該依賴于這個信息。任何情況下，都不認為每個USB端口會將它的輸出電流限制在500mA，或附近的一個值。實際上，USB端口輸出的電流經(jīng)常超過幾安培，因為多端口系統(tǒng)(如PC機)經(jīng)常只有一個保護器件公用于所有的端口。保護器件被設(shè)定在所有端口總額定功率之上。因此，一個4端口系統(tǒng)，如果其余3個端口未被使用，一個端口就可提供超過2A的電流。此外，盡管一些PC機使用精度為10%至20%的IC保護方案，其它大多使用非常不精確的自復(fù)保險絲，只有負載功率超出額定值100%或更高時才會觸發(fā)。

USB端口很少(從不)關(guān)斷電源。USB規(guī)范對此并沒有說明，但人們時常認為如果枚舉失敗，或遇到其它軟件或固件問題，USB電源可能被關(guān)斷。但實際情況是，除非有電路故障(如短路)，沒有USB主機會關(guān)斷USB電源。也許會有例外，但是目前還沒有見到。筆記本和主板生產(chǎn)商甚至不愿意為故障保護買單，更不用說智能電源切換了。因此，無論USB外設(shè)與主機的對話是否發(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有任何通信能力的產(chǎn)品的出現(xiàn)就證明了這一點。它們可能并不“守規(guī)”，但它們工作的很好。

審核編輯：郭婷