USB電池充電基礎(chǔ)：應(yīng)急指南

     摘要：毋庸置疑，USB電源最有用的一個(gè)功能是能夠?yàn)楸銛y裝置的電池充電。但是，無(wú)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(jiǎn)單。對(duì)于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會(huì)縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設(shè)計(jì)合理的充電器可以優(yōu)化安全性并增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，同時(shí)它還降低了退貨、維修擔(dān)保等風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而降低成本。通過(guò)USB為電池充電需要權(quán)衡電池“維護(hù)和保養(yǎng)”，考慮USB功率限制以及便攜式消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的體積和成本問(wèn)題。本文討論了如何在這些因素中達(dá)到最佳平衡。

　　引言

　　USB為便攜設(shè)備供電與其串行通信功能一樣，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。如今，USB供電已經(jīng)擴(kuò)展到電池充電、交流適配器及其它供電形式的應(yīng)用。應(yīng)用的普及帶來(lái)的一個(gè)顯著效果是便攜設(shè)備的充電和供電可以互換插頭和適配器。因此，相對(duì)于過(guò)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(jìn)行充電。

　　毋庸置疑，USB電源的最大用途是能夠?yàn)楸銛y產(chǎn)品的電池充電。但是，無(wú)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(jiǎn)單。對(duì)于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會(huì)縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設(shè)計(jì)合理的充電器可以優(yōu)化安全性并增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，同時(shí)它還降低了退貨、維修擔(dān)保等風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而降低成本。

　　通過(guò)USB為電池充電需要權(quán)衡電池“維護(hù)和保養(yǎng)”，考慮USB功率限制以及便攜式消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的體積和成本問(wèn)題。本文討論了如何在這些因素中達(dá)到最佳平衡。

　　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(shè)備供電。這些規(guī)范并非針對(duì)電池充電，而是用于小型外設(shè)供電，例如麥克風(fēng)和鍵盤。但這并不妨礙設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出自己的USB電池充電裝置。然而，如果沒(méi)有統(tǒng)一指導(dǎo)，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(kāi)發(fā)了USB規(guī)范補(bǔ)充說(shuō)明：電池充電規(guī)范，1.1版，4/15/2009 (BC1.1)1，補(bǔ)充了充電知識(shí)和電源說(shuō)明，最大電源電流可達(dá)1.5A。盡管標(biāo)題為“電池充電規(guī)范”，但該文件幾乎沒(méi)有包括關(guān)于充電電池指標(biāo)的任何信息，只是規(guī)定了應(yīng)該從USB端口吸收多大功率充電。實(shí)際充電方法依然會(huì)留給設(shè)計(jì)人員。

　　在BC1.1之前，所有USB電源端口在有效工作(即USB術(shù)語(yǔ)中的“非掛起”模式)時(shí)，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(duì)于大多數(shù)設(shè)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(jī)提供的電源外，不接收其它電源的集線器端口被認(rèn)為是“低功率”。插入裝置后，最初允許吸收最大100mA的電流，同時(shí)進(jìn)行枚舉并與主機(jī)協(xié)商其電流預(yù)算。隨后，可能允許吸收高達(dá)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(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)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(biāo)準(zhǔn)下行端口(SDP)這與USB 2.0規(guī)范定義的端口相同，也是臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦常見(jiàn)的典型端口。掛起時(shí)，最大負(fù)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(shè)備可利用硬件識(shí)別SDP，USB數(shù)據(jù)線D+和D-分別通過(guò)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(yán)格意義上并不合法，違反規(guī)范要求。

　　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(dá)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(guò)操縱和監(jiān)測(cè)D+、D-線，從而利用硬件握手識(shí)別CDP (參見(jiàn)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(jìn)行硬件測(cè)試，這樣就能夠在枚舉之前檢測(cè)到CDP (以及開(kāi)始充電)。

　　3.專用充電端口(DCP) BC1.1規(guī)定了不進(jìn)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(dòng)充電。DCP可提供高達(dá)1.5A電流，通過(guò)短路D+和D-進(jìn)行識(shí)別，從而能夠設(shè)計(jì)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(jìn)行充電。

　　USB電池充電規(guī)范，1.1版，4/15/2009中對(duì)這些接口類型進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

　　電源類型檢測(cè)

　　對(duì)于連接到任意USB插孔并利用該電源工作或?yàn)殡姵爻潆姷难b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(dāng)。USB接口出現(xiàn)過(guò)載時(shí)很可能導(dǎo)致關(guān)斷、燒毀保險(xiǎn)絲或觸發(fā)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲動(dòng)作。即使具有自恢復(fù)保護(hù)，也只能在拔出設(shè)備并重新連接后才能重新啟動(dòng)。在保護(hù)措施不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕涌谠O(shè)計(jì)中，接口過(guò)載會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。

　　便攜設(shè)計(jì)可以選擇適當(dāng)方法管理接口檢測(cè)，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(cè)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(shí)別CDP和DCP。若不能識(shí)別CDP，它仍然能夠充電并保持兼容，但只能在枚舉后進(jìn)行，與SDP方式相同。其它部分兼容和不兼容標(biāo)準(zhǔn)的充電方法將在隨后討論。

　　器件可利用自身軟件檢測(cè)接口，或采用獨(dú)立于系統(tǒng)資源、通過(guò)USB D+和D-數(shù)據(jù)線之間的互動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)的接口IC。這些功能設(shè)計(jì)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(shè)備，可能更傾向于使用IC進(jìn)行端口檢測(cè)和電流選擇。由于這些設(shè)備能夠通過(guò)USB連接主機(jī)并進(jìn)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(yīng)用處理器控制，或者是由負(fù)責(zé)電源管理及其它系統(tǒng)功能的獨(dú)立微控制器控制。系統(tǒng)檢測(cè)端口類型、枚舉，并向充電器發(fā)送相應(yīng)指令。充電器負(fù)責(zé)處理充電的硬件和安全事項(xiàng)，具有內(nèi)置門限，使系統(tǒng)不會(huì)損害電池(圖1)。

圖1. 無(wú)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(shè)置在正確的參數(shù)

　　不同的設(shè)備設(shè)計(jì)可能不通過(guò)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(shè)計(jì)復(fù)雜性，或者無(wú)需擔(dān)心軟件故障所造成的充電失效。由于系統(tǒng)不進(jìn)行枚舉，最好的充電選擇是自枚舉充電器IC。充電器負(fù)責(zé)端口檢測(cè)并選擇合適的USB負(fù)載電流門限，無(wú)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(jiǎn)單系統(tǒng)能夠完全利用USB充電，無(wú)需占用USB收發(fā)器或微處理器資源。

　　USB連接術(shù)語(yǔ)

　　這里，我們有必要介紹一下部分USB術(shù)語(yǔ)，包括“插入”、“連接”、“枚舉”和“配置”。

　　插入：插入U(xiǎn)SB電纜的物理過(guò)程。

　　連接：設(shè)備將1.5kΩ上拉電阻連接至D+或D-數(shù)據(jù)線時(shí)(剛插入)。

　　枚舉：設(shè)備和主機(jī)之間交換初始數(shù)據(jù)，識(shí)別設(shè)備類型。

　　配置：設(shè)置設(shè)備參數(shù)。

　　在USB 2.0中，設(shè)備進(jìn)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(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)字通信。BC1.1擴(kuò)展了USB規(guī)范，除USB 2.0選項(xiàng)外，BC1.1還允許利用“啞”操作確定端口類型，所以，有些端口無(wú)需枚舉即可充電。[!--empirenews.page--]

　　端口檢測(cè)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)*估電源無(wú)關(guān)。充電器自動(dòng)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(jī)或集線器)：高速充電時(shí)達(dá)到900mA (啁啾期間為580mA)；低速和快速為1.5A

　　3. 低功率SDP (主機(jī)或集線器)：100mA

　　4. 大功率SDP (主機(jī)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(jìn)行分配。如果在長(zhǎng)達(dá)10ms內(nèi)未檢測(cè)到總線流量，內(nèi)置掛起定時(shí)器自動(dòng)觸發(fā)掛起。

　　除了自動(dòng)優(yōu)化來(lái)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(shí)利用所有能夠利用的輸入電源(圖3)。施加電源時(shí)，電池耗盡或沒(méi)有電池同樣可以保持工作。集成了所有功率控制MOSFET，無(wú)需外部二極管。熱調(diào)節(jié)環(huán)路在極限溫度下自動(dòng)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(shè)置充電電流。即使是深度放電的電池，也能維持系統(tǒng)工作。

　　增加端口檢測(cè)

　　BC1.1規(guī)定了檢測(cè)端口類型的硬件方法。預(yù)計(jì)采用集成電路實(shí)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(shí)候的首選方案依然是為現(xiàn)有充電器增加端口檢測(cè)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(cè)方法，受系統(tǒng)微控制器控制工作。這種方法可檢測(cè)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(huì)喪失從CDP吸收更大充電電流的機(jī)會(huì)。在預(yù)算較低的設(shè)計(jì)中，這一缺陷是可接受的。

圖4. 高速USB開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)有限的USB充電器檢測(cè)形式

　　圖4所示連接方法支持如下有限端口檢測(cè)功能。當(dāng)便攜設(shè)備插入三種端口類型之一時(shí)，VBUS為U1開(kāi)關(guān)和設(shè)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(cè)模式，D+線通過(guò)10kΩ上拉至系統(tǒng)邏輯電壓，D-通過(guò)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(cè)輸出將為低電平。如果檢測(cè)到SDP或CDP，系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)CB為低電平，將開(kāi)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(gè)局限性：插入CDP時(shí)無(wú)法識(shí)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(cè)。MAX14578包括檢測(cè)連接設(shè)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(shè)備執(zhí)行與USB電池充電規(guī)范1.1兼容的檢測(cè)邏輯，包括數(shù)據(jù)觸點(diǎn)檢測(cè)、D+/D-短路檢測(cè)和CDP識(shí)別。另外，它有一個(gè)充電定時(shí)器和低電池電量監(jiān)測(cè)器，用于支持USB BC1.1“無(wú)電電池”充電機(jī)制。

　　MAX14578具有一個(gè)數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，適用于USB高速和初始(全速和低速)信號(hào)。它具有低導(dǎo)通電阻(RON)、低導(dǎo)通電阻平坦度以及非常小的電容。CDN和CDP引腳還具有高達(dá)15kV的人體模式ESD保護(hù)。

圖5. 利用MAX14578 USB充電端口檢測(cè)器和數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)IC，可為充電器增加完全兼容于USB BC1.1的端口檢測(cè)功能。

　在圖6中，為USB設(shè)備增加了簡(jiǎn)單的Li+電池充電功能。MAX8814可配置為通過(guò)100mA或500mA USB端口為電池充電。電路初始化為100mA，然后微控制器枚舉主機(jī)，以確定其電流驅(qū)動(dòng)能力。如果USB端口允許，通過(guò)導(dǎo)通電流設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的N1和R1，增大充電電流。大電流充電標(biāo)稱設(shè)定為425mA，以避免超過(guò)考慮容限后的SDP 500mA限制。充電器還具有一個(gè)自動(dòng)啟動(dòng)電路，當(dāng)連接有外部電源時(shí)，提供輸出信號(hào)(ABO)通知系統(tǒng)。圖6盡管兼容USB，但并不符合BC1.1標(biāo)準(zhǔn)，所以需要枚舉才能充電。

圖6

　　圖6. MAX8814為USB設(shè)備增加充電功能提供了簡(jiǎn)單、引腳數(shù)少的解決方案。枚舉受系統(tǒng)控制，利用ISET引腳監(jiān)測(cè)和控制充電電流。這種設(shè)計(jì)兼容USB，但并不符合BC1.1標(biāo)準(zhǔn)，所以需要枚舉才能充電。[!--empirenews.page--]

　　其它充電策略

　　USB電池充電設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。便攜式USB連接設(shè)備并非遵循同一設(shè)計(jì)理念，存在各種限制約束—其中尺寸、成本、充電時(shí)間的影響最為明顯。設(shè)計(jì)中須謹(jǐn)慎考慮這些因素及其它更細(xì)致的事項(xiàng)，有助于選擇USB充電方案。更多的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)包括：

　　●設(shè)備在施加外部電源(USB或適配器)后是否必須啟動(dòng)所有功能工作？

　　●是否需要獨(dú)立的輸入，分別連接USB和適配器電源？

　　●設(shè)備是否具有計(jì)算能力和固件與USB端口進(jìn)行協(xié)商充電？

　　●充電電流是否能夠瞬間降低，以減小熱耗，或者是否需要開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)？

　　●需要什么樣的輸入保護(hù)措施？

　　多輸入充電

　　根據(jù)BC1.1規(guī)定，設(shè)備只能從USB定義的電源充電。這些設(shè)備的使用越來(lái)越普及，但您可能仍然希望選擇常規(guī)的、可能不兼容USB的適配器進(jìn)行充電。利用雙輸入充電器能夠很好地解決這一問(wèn)題，能夠靈活替換外部電源。在此之前，通常采用“或”二極管或分立式MOSFET比較器進(jìn)行電源切換，如果考慮潛在的“漏電”通路和切換時(shí)間時(shí)，設(shè)計(jì)會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜。幸運(yùn)的是，目前許多充電器IC具有電源關(guān)斷控制(圖7)。集成這一功能不僅僅是簡(jiǎn)單地替代外部元件。由于集成充電器能夠了解開(kāi)關(guān)電路的操作，有助于改善電源變化時(shí)的切換。

圖7. MAX8844等雙輸入充電器處理利用USB和適配器供電的充電器，器件還具有高達(dá)28V的輸入過(guò)壓保護(hù)。

　　充電器常見(jiàn)的設(shè)計(jì)考慮是從多電源供電問(wèn)題，特別是采用圓形連接器時(shí)，可能會(huì)連接到不正確的適配器。為避免這種事件的發(fā)生，MAX8844禁止從高于7.5V的輸入電源充電，能夠承受并阻止高達(dá)28V的輸入，可有效保護(hù)電池、充電器及下行電路，防止錯(cuò)誤地連接到其它任何類型的適配器。此外，MAX8844具有過(guò)壓保護(hù)LDO，從USB和適配器(IN)輸入偏置，可向系統(tǒng)提供30mA電流。無(wú)論充電器是否使能，這些LDO輸出(SAFEUSB和SAFEOUT)都保持有效。器件執(zhí)行的其它充電功能包括：電池檢測(cè)、熱限制、在極端環(huán)境溫度下減小充電電流(以維持較低的管芯溫度)、自動(dòng)啟動(dòng)邏輯輸出、外部電源作用時(shí)通知系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

　　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，一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素是充電電路是否直接連接到電池和系統(tǒng)負(fù)載，或者在連接外部電源時(shí)是否需要額外的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電池與系統(tǒng)的連接，這兩種情況如圖8所示。

圖8. 直接連接充電器及Maxim的智能電源選擇(Smart Power Selector?)技術(shù)示意圖

　　直接連接結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方式。如果電池深度放電后施加外部電源，將會(huì)顯露出它的主要缺陷。這種情況下，系統(tǒng)可能不能啟動(dòng)，直到電池達(dá)到可接受的水平。有些應(yīng)用中，等待電池充電到一定程度，然后再恢復(fù)所有功能，用戶也是可以接受的；然而，有些應(yīng)用中，無(wú)論電池狀態(tài)如何，“必須”要求連接外部電源時(shí)能夠立即工作。后一種情況下，Maxim的智能電源選擇器允許系統(tǒng)在電池深度放電狀態(tài)下使用外部電源供電，參見(jiàn)圖9。

圖9. 具有智能電源選擇器的雙輸入U(xiǎn)SB/適配器(例如MAX8934)，在連接外部電源時(shí)能夠立即為系統(tǒng)供電，并同時(shí)為完全放電的電池充電。

　　圖9中，系統(tǒng)負(fù)載輸出(SYS)和電池(BAT)之間的內(nèi)置低阻(40mΩ) MOSFET在充電和放電工作期間負(fù)責(zé)多項(xiàng)功能。充電期間，該智能電源選擇器開(kāi)關(guān)充分利用有限的USB或適配器電源，在確保系統(tǒng)供電的前提下為電池充電。它還將電池作為一個(gè)緩沖儲(chǔ)能裝置，在負(fù)載瞬時(shí)發(fā)生超過(guò)輸入限流的峰值電流時(shí)保證系統(tǒng)供電。放電期間，該開(kāi)關(guān)提供一條從電池到系統(tǒng)的低損耗通路。

　　系統(tǒng)軟件處理與USB主機(jī)的通信并向充電器發(fā)送命令。MAX8394管理充電硬件，并提供簡(jiǎn)單的通信，設(shè)置USB、適配器充電相關(guān)的參數(shù)。預(yù)設(shè)USB輸入電流門限，確保不超過(guò)規(guī)定的限制，適配器使用用戶設(shè)置的電流。充電器還向系統(tǒng)提供完整的狀態(tài)和故障信號(hào)。

　　MAX8934具有最新的充電安全特性，包括日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(JEITA)規(guī)定的與溫度相關(guān)的充電協(xié)議，在溫度升高時(shí)暫?；驕p緩充電。此外，輸入具有高達(dá)16V的過(guò)壓保護(hù)(OVP)，并且器件在極端條件下通過(guò)減小充電電流限制溫度的上升。

　　高達(dá)2A的開(kāi)關(guān)模式快速充電器，發(fā)熱最小

　　有些緊湊設(shè)備需要較大的充電電流(超過(guò)1A)，無(wú)法承受線性充電器在高充電速率下產(chǎn)生的過(guò)多熱量。針對(duì)這種需求，MAX8903 (圖10)提供了一個(gè)4MHz DC-DC轉(zhuǎn)換器，在保持器件最小面積的同時(shí)，能夠從適配器電源為電池提供高達(dá)2A的電流。與MAX8934一樣，MAX8903為雙輸入設(shè)計(jì)，通過(guò)獨(dú)立的連接接受USB和適配器輸入。與之前輸入電源和電池電源關(guān)斷操作一樣，自動(dòng)進(jìn)行電源之間的切換。

圖10. 具有智能電源選擇器的MAX8903開(kāi)關(guān)模式充電器，可從適配器輸入提供高達(dá)2A電流，從USB源提供500mA電流。

　　MAX8903的4MHz開(kāi)關(guān)頻率使開(kāi)關(guān)模轉(zhuǎn)換器的有源元件保持在最小尺寸，在考慮了較低的功耗后，利用該器件構(gòu)建的2A充電器會(huì)小于等效的線性充電器。實(shí)際上，考慮到熱耗散，大多數(shù)便攜設(shè)備在任何條件下都不能支持2A的線性充電架構(gòu)。[!--empirenews.page--]

　　內(nèi)置過(guò)壓和極性反接保護(hù)

　　盡管USB充電規(guī)范對(duì)電源適配器和充電器進(jìn)行了一定程度的強(qiáng)制要求，但是針對(duì)便攜設(shè)備的USB設(shè)計(jì)仍然比較混亂，尤其是那些選擇使用普通圓形插頭作為電源的應(yīng)用(只使用適配器或者是雙輸入設(shè)備非常普遍)。用戶極容易使用“隨手找到”的、但輸出電壓甚至極性是錯(cuò)誤的適配器。通過(guò)在充電器電源輸入端集成正、負(fù)22V保護(hù)，MAX8900能夠減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)：無(wú)需外部保護(hù)器件或MOSFET開(kāi)關(guān)(圖11)。

圖11. 具有±22V過(guò)壓和極性反接保護(hù)的直接連接開(kāi)關(guān)模式充電器

　　MAX8900是一款直接連接充電器，系統(tǒng)通常連接至電池。其3.25MHz開(kāi)關(guān)頻率允許使用非常小的外圍器件，并提供高達(dá)1.2A的充電電流，熱耗非常低。除了雙極性輸入保護(hù)外，還根據(jù)JEITA規(guī)定，按照溫度的變化調(diào)整充電參數(shù)。

　　通過(guò)USB為NiMH電池充電

圖12. USB供電的單節(jié)NiMH電池開(kāi)關(guān)模式充電器

　　雖然表面上Li+電池已經(jīng)占據(jù)整個(gè)便攜世界，但NiMH電池并沒(méi)有被完全遺棄。令人吃驚的是，盡管單位重量的能量仍然有較大差距，但其單位體積的能量?jī)H比Li+電池低大約15%。NiMH電池的最大缺點(diǎn)是自放電率較高，混合型NiMH電池在很大程度解決了這一問(wèn)題，例如SANYO? Eneloop?電池，靜態(tài)下一年之后仍然能夠保留85%的電量。NiMH電池的吸引力在于成本低、安全性高、用戶更換方便等，至少標(biāo)準(zhǔn)電池具備這些優(yōu)勢(shì)。

　　圖12所示便攜設(shè)備由一節(jié)AA型NiMH電池供電，利用USB充電。DS2710充電器開(kāi)關(guān)頻率大約為150kHz，電池充電電流為1.1A (典型AA型NiMH電池在大約0.5°C條件下)。由于降壓轉(zhuǎn)換器將5V、500mA轉(zhuǎn)換成電池充電時(shí)的1.5V、1.1A，電路供給電池的電流(1.1A)大于從USB接口獲得的電流(500mA)。需要注意的是，由于在低充電速率下不能正確判斷充電終止，只能采用500mA或更大功率的端口進(jìn)行充電。所以，當(dāng)枚舉確定只有100mA電流可用時(shí)，不應(yīng)激活充電。系統(tǒng)通過(guò)關(guān)閉TMR上的Q2，使定時(shí)器電阻懸空，停止充電。

　　該充電器另外一項(xiàng)特別有用的功能是：通過(guò)檢測(cè)電池阻抗確定接入的是否為堿性電池或故障電池，檢測(cè)到這種狀況時(shí)將禁止充電。這就允許用戶在緊急情況下插入堿性電池，無(wú)需擔(dān)心意外充電。

　　USB 3.0

　　USB 3.0規(guī)范進(jìn)一步提高了USB的數(shù)據(jù)速率。規(guī)范在電源方面與USB 2.0相似，只不過(guò)“單位負(fù)載”從100mA增大至150mA，大功率端口不得不提供6個(gè)(而不是5個(gè))單位負(fù)載。這就意味著低功率USB 3.0端口可提供150mA電流，大功率USB 3.0端口可提供900mA電流。

　　“假象”—非標(biāo)準(zhǔn)USB充電

　　與所有增加的不同于原始應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)一樣，制造商有時(shí)為了提供至少受限的充電架構(gòu)而忽略了USB 2.0規(guī)范的部分要求。通常這種非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在任何條件下吸收的電流都不大于100mA，所以，無(wú)論是大功率還是低功率集線器都不會(huì)過(guò)載。將電流限制在這一水平的缺點(diǎn)是電池充電時(shí)間較長(zhǎng)，但如果設(shè)備在大部分時(shí)間都連接至USB端口，或許仍可接受。除了充電時(shí)間較長(zhǎng)外，這種方式還有另外一個(gè)局限性：如果系統(tǒng)電池已完全放電，啟動(dòng)所有系統(tǒng)功能須延遲到電池達(dá)到足夠電量的水平。

　　非標(biāo)準(zhǔn)充電的另一方面涉及到USB掛起的處理。USB 2.0規(guī)定所有設(shè)備在一定周期內(nèi)沒(méi)有總線操作時(shí)必須掛起(吸收電流小于2.5mA)。由于編制該規(guī)范時(shí)沒(méi)有包括充電，所以沒(méi)有考慮設(shè)備在關(guān)閉時(shí)繼續(xù)保持電池充電的情況。然而，由于大多數(shù)USB主機(jī)實(shí)際并不關(guān)閉電源，這種違反規(guī)范的操作也很少妨礙充電。

　　非標(biāo)準(zhǔn)充電假設(shè)可以獲得500mA電流，指示用戶插入到能夠提供500mA電流的電源端口和集線器。如上所述，由于大多數(shù)USB端口不關(guān)閉電源，這種方法在大多數(shù)情況下有效。當(dāng)這樣的設(shè)備插入到不支持500mA電流的端口時(shí)，端口將按規(guī)定關(guān)斷。然而，USB端口的過(guò)載狀況并非任何情況下都給出了清晰的定義，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位或損壞。幸運(yùn)的是，電池充電已經(jīng)是USB規(guī)范的一個(gè)有機(jī)組成部分，所以不再需要如此的冒險(xiǎn)操作。

　　結(jié)論

　　USB充電具有多種形式，取決于不同USB設(shè)備的獨(dú)特要求。USB電池充電規(guī)范1.1版最終對(duì)之前的許多充電操作進(jìn)行了規(guī)范。隨著B(niǎo)C1.1標(biāo)準(zhǔn)的普及，將會(huì)降低制造商和消費(fèi)者的成本。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的普及也會(huì)提高系統(tǒng)的互操作性。盡管如此，USB規(guī)范也僅僅規(guī)定了從端口獲取多大功率，仍然將電源管理架構(gòu)和充電規(guī)范留給用戶去判讀。這正是Maxim各種充電器件的用武之地，它們能夠?yàn)閹缀跛蠻SB連接的便攜設(shè)備提供安全、可靠的電池充電器。

　　表1匯總了以上討論的充電器，這些僅僅是Maxim產(chǎn)品的一小部分，更多產(chǎn)品選擇請(qǐng)?jiān)L問(wèn)電池管理。

表1. 具有代表性的USB電池充電器