標簽：便攜式設備 USB接口電源 集線器 充電控制器 系統(tǒng)負載
1、引 言
通用序列總線USB2.0作為一種新的PC機互連協(xié)議，使外接設備到計算機的連接更加高效、便利。這種接口適合于多種設備,不僅具有快速、即扦即用、支持熱扦撥的特點還能同時連接127個設備,解決了如資源件沖突、中斷請求和直接數(shù)據(jù)通道等問題., 為使用者提供更好的效能。但隨著各類數(shù)字化便攜式設備及其內核電源品種的增多,這就要需要進一步開發(fā)并拓寬USB接口的電源功能以保證各類便攜式設備的正?？煽窟\行.這是為什么呢?
* 多種內核電源的需要
眾所周知,當今許多數(shù)字化便攜式設備(如數(shù)碼相機、 MP3播放器和PDA)中數(shù)字信號處理均是采用DSP芯片, 該DSP芯片采用單5V電源供電,但也有的采用3.3V和1.8V電源供電,其中DSP芯片的核電壓采用1.8V電源供電,而I/O采用3.3V電源供電.據(jù)此再在這些便攜式設備上再增加電源設備是不現(xiàn)實的.
* 便攜設備的數(shù)據(jù)交換
因為許多便攜設備，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杌進行數(shù)據(jù)交換的同時，能夠利用同一根電纜對電池充電，會極大地方便沒備的使用。若將USB接口的電源功能與具有對電池充電功能結合,則能夠使大量設備免受電源線的束縛，如可移動網(wǎng)絡照相機,無論是否與PC相連都可以工作。在許多情況下，都不再需要那些一直使用而伴隨的又笨拙的交流適配器。由此可見開發(fā)USB接口電源(以下簡稱USB電源)應解決二大問題,第一是從USB端口獲得5V與3.3V、1.8V電源;第二是通過USB電源為電池充電.
由于USB接口除了具有直接對與USB相連設備供電功能之外，USB接口電源最有用的功能之一就是能對電池充電。那末這些功能從何而來?為此應首先對USB接口的電源(以下簡稱USB電源)功能的技術支持作一介紹.
2、開發(fā)拓寬USB電源功能的技術支持
USB的集線器控制器功能和外圍設備功能是開發(fā)出USB電源功能的技術支持。
那么USB的集線器控制器功能和外圍設備功能是什么?或者說具備這二大功能的技術依據(jù)又是什么?
2.1 USB集線器功能
(1)先述何謂集線器.在USB網(wǎng)絡中有三個主要建構模塊.首先個人計算機里有一塊主控端(Host). “主控端”的功能就如同其名稱所指的，主要負責通訊方面要求、接受以及將服務信息輸入輸出至計算機.因此主控端負責處理網(wǎng)絡”匯集”時的大部分細節(jié)工作.而在網(wǎng)絡的另外一端則稱為:”裝置”(Device),就是計算機外設設備;另外，在主控端與裝置之間則可能會有“集線器”(Hub)。這些看似簡單的單元，可提供四個(或七個)插槽給裝置使用，而且僅需依靠計算機的一條纜線。集線器負責引進新的“訪客”(Guest)裝置給主控端，同時負責確保所有主控端與裝置之間的信息以最高速度進行交換.
由此可見USB集線器功能是負責管理端口的連接/拆斷操作，包括集線器配置、下行端口設備的檢測(不管端口是處于暫停模式還是恢復模式)、端口的各種狀態(tài)，以及總線故障和重新配置、電源管理和速度檢測支持。
而集線器控制器上的端口數(shù)決定能夠管理的下行設備的數(shù)量?？晒┯脩暨x擇的產品包括二端口型、二或三端口型、四端口型、一至五端口型和七端口型 。
(2)USB集線器分類.
* 自帶電源USB集線器采用本機電源來為下行端口供電。然而，USB接口被允許從其上行端口吸收100mA電流，該電流可被用來保持USB接口的功能，而集線器的剩余部分被斷電。自帶電源USB集線器被要求對過流狀態(tài)加以限制和通告，且必須為每個下行端口提供至少500mA的電流。
* 總線驅動USB集線器由上行連接獲得所有的功率，并被要求向每個下行端口提供100mA的電流。出于配置方面的考慮，USB規(guī)范將總線驅動USB集線器總線在上電過程中從總線吸收的電流限制為100mA(或更低)。此后，總線驅動USB集線器被允許消耗500mA電流，分別向每個下行端口提供100mA電流，剩余的電流供集線器自身使用。由于自供電型集線器有可能因電源拆斷或電池耗盡而出現(xiàn)本機功率損耗，所以，總線控制器可強制將其自身作為總線驅動USB集線器來重新計算，因而要求它在所有的外部端口上執(zhí)行端口功率轉接。
2.2 USB外設功能
USB外設控制器,它實現(xiàn)外設與主機或集線器的USB連接。與集線器或主機不同，USB外設并不支持下行功能，但的確擁有必須符合USB規(guī)格要求的面向上行的端口。USB外設可分為以下幾類：
(1)低功耗、總線驅動USB功能，它從上行總線獲得全部功率，并將消耗電流限制為100mA;
(2)高功率總線驅動USB功能，它從上行總線獲得全部功率，并將配置期間的消耗電流限制為100mA(最大值)。在計算之后，它可以吸收高達500mA的電流;
(3)自帶電源USB集線器功能，從電源(而不是上行總線)獲得功率。它被允許從上行總線吸收高達100mA電流，但并不是必要的。
USB外設的插座分兩種，都比PC機和普通USB主機的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如圖1所示，B系列由引腳1(+5V)和引腳4(GND)供電，Mini-B系列由引腳1(+5V)和引腳5(GND)供電。
又因所開發(fā)的USB電源為電池充電的功能可能很復雜，也可能很簡單，這取決于與USB接口相連設備的要求。影響設計的因素不僅包括通常的成本、尺寸、重量等.還有以下重要因素:當電池已耗盡的負載設備插入USB端口時，要求多快開始全功能運行;允許電池充電的時間;在USB功率限制范圍內的功率分配;是否需要一個交流適配器充電。這些問題和相應要解決的方案將會在討論USB的功率問題后進行研究.為此,在技術支持中還應對USB功率問題應進一步說明
2.3關于USB功率
所有USB接口的主機，如PC機和筆記本電腦，每個USB插孔都能支持最少500mA電流輸出或驅動5個“單位負載”。在USB術語中，“一個單位負載”是100mA。自帶電源USB集線器也能驅動5個單位負載?？偩€驅動USB集線器只能保證驅動一個單位負載。按照USB規(guī)范，由USB接口的主機或自帶電源USB集線器提供的，電纜外設端的最小可用電壓為4.5V，而由總線驅動USB集線器提供的最小電壓為4.35V。用這些電壓對典型電池電壓要求為4.2V的Li+電池充電時，只有很小的裕度，從而使得充電器的壓降變得極為重要。
應該說所有接人USB端口的設備啟動時消耗電流都不能超過100mA。與主機進行通信后,設備才能決定是否可以用足500mA電流。
USB外設的插座分兩種，都比PC機和普通USB主機的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如圖1所示，B系列由引腳1(+5V)和引腳4(GND)供電，Mini-B系列由引腳1(+5V)和引腳5(GND)供電。
一旦與主機連接，所有與USB接口相連的設備都必須首先讓主機識別自己。這一動作被稱為枚舉。在識別過程中，主機決定接受或拒絕USB設備的功率要求，如果接受，可以將設備的電流從最大100mA增加到最大500mA。
3、從USB端口提供3.3V和5V電源
由于USB端口是當今新型熱扦拔式接口，除了豐富的接口功能外, 還能提供二種電源,其一、由低功率USB端口提供的電源為4.4V-5.25V、電流為100MA,.其二、由高功率USB端口提供的電源力4.75V至5.25V 、電流為500MA,而便攜式設備均采用USB端口作為接口,所以應用USB端口和芯片結合從而可產生3.3V和5V電源.以滿足便攜式設備中DSP芯片的需要,為此對設計方案作一下介紹.
(1)通用串行總線(USB)端口除了通信通道D+與D-(見圖2左面USB端口所示引腳)外,還能夠提供電源。當便攜式設備(如數(shù)碼相機、 MP3播放器和PDA等)用電池供電并連接至USB口進行通信時，就可以采用USB電源對Li+電池充電。
圖2所示,就是利用了USB電源，產生3.3V和5V電源的電路圖，并為Li+電池充電.其 IC1芯片 MAX1811為Li+電池的充電器.采用USB端口電源給電池充電時, 對于低功率USB端口,應將IC1芯片的SETI端拉低，其充電電流設定為100mA;對于高功率的USB端口,應將IC1芯片的SETI置高, 充電電流應設定為500MA.類似，將SELV置高或置低，則IC1芯片被配置為Li+電池充電至4.2V或4.1V，IC1的最終充電電達到了0.5%精度。CHG端允許芯片在充電期間點亮LED.
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(2)圖3所示, IC2是一款升壓型DC-DC轉換器，IC2芯片 MAX1797可將電池電壓Vbatt升壓至5V(Vout).并且Vout能夠向負載輸出的450MA電流。
其低電池檢測電路和真正的關斷能力將保護Li+電池不被過放電。通過斷開電池和輸出來實現(xiàn)，這種“真正”的關斷功能將電池降低至2uA。低電池電壓門限(LB1引腳電平)由Vbatt和GND之間的外部電阻分壓器R3與R4(分壓器的中點連接至LBI引腳)來設定。將低電池電壓輸出引腳LBO 連接至關斷引腳SHDN。則在低電池電壓條件下，導致IC2與負載斷開。
當?shù)碗姵貦z測電路將路能低電壓電池與負載斷開時，Li+電池的內阻將使IC2容易形成振蕩。這是因為當電池內阻引起的壓降消失后，電池電壓將增加，使IC2再次打開,例如0.5Ω內阻的Li+電池在源出500MA的電流時，在其內阻上將產生250MV的壓降。當IC2電路斷開負載時，電池電流將降為0，電池電壓會升高250MV。為此，通過低電池在檢測電路引入滯回，LBO端的N溝道FETMOS管將消除這種振蕩。
圖3電路的低電池門限電壓設置為2.9V。當Vbatt降至2.9V以下時，LBO打開(電平提高)，將SHDN拉高，F(xiàn)ETMOS管導通，在FETMOS管導通的情況下，電阻R5(1.3MΩ)和R4(249KΩ)組成并聯(lián)電路，將電池的開通電壓門限(引腳LB1)提升至3.3V，從而消除了振蕩。
(3)圖4所示,IC3 芯片MAX1837 為DC-DC降壓型轉換器,能將5V輸出降壓至3.3V,并且能夠向負載輸出高達250MA的電流，效率超過90%。
從以上圖2、3、4 可以看出,在通過USB端口提供電源時，與各芯片MAX1811 MAX1797 MAX1837配合就能為便攜式設備產生5V初3.3V的電源。
需要說明的是USB電源:
* 由于USB電纜和連接器上的電壓降，USB設備必須能夠工作至4.35V
* USB設備必須保證其最大工作電流低于100MA，直到通過軟件被配置為高功率為止。
4、簡單的USB電源和交流適配器的充電配置
4.1 配置方案
對一些最基本的設備負載來說,不需要用軟件開銷來管理和優(yōu)化USB電源的使用。如果設備負載電流限制在100mA以內，那末都可以用與USB接口相連的主機和自帶電源的集線器或總線驅動的集線器來驅動。據(jù)此,這類簡單的USB和交流適配器充電設計，可采用圖5所示的一個基本充電器加一個穩(wěn)壓器的配置。
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4.2 方案分析
圖5所示電路中，設備(系統(tǒng))負載何時與USB電源或交流適配器連接? USB電源和交流適配器何時開始對電池充電?同時,又要你保證系統(tǒng)負載能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(IC2 MAX8881)來解決。如果系統(tǒng)持續(xù)消耗如此大的電流，而通過USB對電池充電電流只是100mA，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(IC1)的最大電流上升到350mA。如果USB與交流適配器同時連接，但應自動給予交流適配器優(yōu)先權。
USB規(guī)范要求充電器(IC1)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USB電源輸入端。在傳統(tǒng)的充電器中，可通過輸人二極管保證，但USB最小電壓為4.35V(由USB功率簡述得知)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，所有回流路徑應在IC1的內部被阻止。
圖5所示電路在應用上受到一些限制，也許不適用于某些可充電的USB設備。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(mAH)，充電時間就會很長。第二個限制是由于基本充電器的負載(指線性穩(wěn)壓器的輸入)總是與電池相連(即圖5中Li+電池與MAX8881的IN端相連)。這樣,如果電池已深度放電，則負載設備加電時也許不能立即開始工作。這是因為電池達到負載設備工作所需的電壓前有一定的延遲時間。
5、改進技術: 充電器充電電流和外圍電路的改進.
在更先進的系統(tǒng)中，需要對充電器內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，以便與USB電源或交流適配器或電池的電流能力相匹配;USB電源接人時的負載切換;以及過壓保護。
5.1 改進技術方案(見圖6所示的電).
在圖6所示的電路中，就是利用充電器IC1內部的電壓監(jiān)測器(充電控制器)驅動外部MOSFET Q3(FDN302)來實現(xiàn)了上述的改進功能。
5.2 改進技術的實現(xiàn)
MOSFET Q1(FDN302)和Q2(FDN302)以及二極管D1和D2繞過電池，直接將可用的電源(USB電源輸入或DC電源輸入-交流適配器轉換而成)連接到負載。當某個電源(USB或DC電源輸入)輸人有效時，其監(jiān)視輸出 變低，相應的MOSFET管導通。當兩個輸入都有效時，DC輸入優(yōu)先使用。IC1可防止兩個輸人同時被使用。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。而充電器內部電路((由充電控制器及其控制的和二只場MOS管)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(即USB電源輸入或DC電源輸入)接人時導通，用電池向負載設備供電。當USB電源或DC電源任何一個接人時，“電源通”(PON)輸出立即關閉Q3，將電池與負載設備斷開。這樣當有外部電源接人時，即使電池深度放電或已損壞，系統(tǒng)仍能立即開始工作。
5.3 完善與實用
一旦USB設備與主機連接時，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設計的傳統(tǒng)充電器來說可能會有問題。而其問題在于傳統(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的影響。結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，平均電流只能設置成50mA。最低值可能會低至OmA，顯然這是無法接受的。如果要求USB充電在兩個范圍內都有效，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。
在一些設計中，由于系統(tǒng)功率需求的關系，不可能用低于500mA的USB預算功率分別對負載供電和對電池充電。但是，使用了交流適配器就沒有問題。
* 一個高性價比的方案的出現(xiàn)
用一個高性價比的方案可滿足這一需求,即只需將圖6電路作一簡化:將圖6電路中與系統(tǒng)負載相連的Q1、D1及連線去掉,這樣USB電源并不直接與負載連接,僅與MAX1874的USB引腳相連;從MAX1874的BATT引腳再通過二極管D(MBR0520L)與系統(tǒng)負載相連;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。此設計的局限性與圖5所示電路相同,即如果USB接人時電池已深度放電，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，該方案電路能夠以同圖6電路一樣的方式工作，無論電池狀態(tài)如何都不需等待。這是因為與MAX1874 “電源”通”引腳(PON)相連接的MOSFET 管Q(類似圖6中的MOSFET Q3)被關斷，系統(tǒng)負載由電池切換到了通過二極管D(類似圖6中的D2)DC輸人上。
* 這樣一個簡化又完善與實用的設計方案出現(xiàn),使USB電源并不與負載相連,但DC輸入與負載相連.當連接USB電源時,系統(tǒng)仍然采用電池供電.同時電池又被充電.
6、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轉換器將1.3V的電池電壓升至設備可使用的電壓，典型為3.3V。因為任何電池供電設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7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降壓轉換器(IC1)，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充電與常見的線性電路相比，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—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。負載由電池到USB的切換，是通過USB電源與boost轉換器(IC2為DC-DC升壓轉換器)輸出之間用二極管(Di)“或”實現(xiàn)的。當USB斷開時，boost轉換器IC2產生3.3V輸出。USB連接時，D1將DC-DC升壓器(IC2)輸出拉升至約4.7V.IC2輸出被拉升時會自動關斷，關斷后從電池汲取的電流不超過1µA。如果不允許接人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)控制結束充電。IC1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設置IC1最大輸出電壓為2V，作為一個安全界限。充電能使輸入端被系統(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。
7、結 語
以上開的開發(fā)拓寬USB接口的電源功能與從USB接口獲得多種電源(3.V與5V的電源)方案介紹,實際上是充分應用USB電源功能為數(shù)字化便攜式設備Li+或鎳氫(NiMH)電池充電特性分折,該設計技術既復雜亦可簡單,這取決于USB接口的電源類型、功率與扦入USB設備負載及其電池性能等多方面的配合使用,即究竟采用何種應用方案能獲得最佳性價比,是要根據(jù)各便攜式設備實際情況而定.
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