通用串行總線(USB)端口是一種帶有電源和地的雙向數(shù)據(jù)端口。USB可以連接所有類型的外圍設(shè)備，包括外部驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)設(shè)備、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、無(wú)線接口、攝像機(jī)和照相機(jī)、MP3播放器以及數(shù)不盡的各種電子設(shè)備。這些設(shè)備有許多采用電池供電，其中一些帶有內(nèi)置電池。對(duì)于電池充電設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用廣泛的USB既帶來(lái)了機(jī)遇，也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文闡述了如何將一個(gè)簡(jiǎn)單的電池充電器與USB電源進(jìn)行接口。文章回顧了USB電源總線的特性，包括電壓、電流限制、浪涌電流、連接器以及電纜連接問(wèn)題。同時(shí)介紹了鎳氫電池(NiMH)和鋰電池技術(shù)、充電方法以及充電終止技術(shù)。給出了一個(gè)完整的示例電路，用于實(shí)現(xiàn)USB端口對(duì)NiMH電池智能充電，并給出了充電數(shù)據(jù)。

　　USB特性

　　USB總線能夠?yàn)榈凸碾娮釉O(shè)備提供電源?？偩€電源與電網(wǎng)隔離，并且具有很好的穩(wěn)定性。但是，可用電流有限，同時(shí)負(fù)載和主機(jī)或電源之間存在潛在的互操作問(wèn)題。

　　USB端口由90?雙向差分屏蔽雙絞線、VBUS (+5V電源)和地組成。這4條線由鋁箔內(nèi)屏蔽層和編織網(wǎng)外屏蔽層進(jìn)行屏蔽。最新的USB規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是2.0版，可以從USB組織免費(fèi)獲得。要做到完全符合該規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，需要通過(guò)一個(gè)功能控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和主機(jī)間的雙向通信。規(guī)范定義了1個(gè)單位負(fù)載為100mA (最大)。任何設(shè)備允許吸取的最大電流為5個(gè)單位負(fù)載。

　　USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類，低功率端口可提供1個(gè)單位負(fù)載的電流，大功率端口可最多提供5個(gè)單位負(fù)載的電流。當(dāng)設(shè)備剛連接到USB端口時(shí)，枚舉過(guò)程對(duì)器件進(jìn)行識(shí)別，并確定其負(fù)載要求。在此過(guò)程中，只允許設(shè)備從主機(jī)吸取最多1個(gè)單位負(fù)載的電流。枚舉過(guò)程完成后，如果主機(jī)的電源管理軟件允許，則大功率設(shè)備可以吸取更大的電流。

　　某些主機(jī)系統(tǒng)(包括下游USB集線器)通過(guò)保險(xiǎn)絲或者有源電流檢測(cè)器提供限流功能。如果USB設(shè)備未經(jīng)過(guò)枚舉過(guò)程便從USB端口吸取大電流(超過(guò)1個(gè)單位負(fù)載)，則主機(jī)會(huì)檢測(cè)到過(guò)流狀態(tài)，并會(huì)關(guān)閉正在使用的一個(gè)或多個(gè)USB端口。市場(chǎng)上供應(yīng)的許多USB設(shè)備，包括獨(dú)立電池充電器，都沒(méi)有功能控制器來(lái)處理枚舉過(guò)程，但吸取的電流卻超過(guò)了100mA。在這種不恰當(dāng)?shù)臈l件下，這些設(shè)備可能導(dǎo)致主機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題。例如，如果一個(gè)吸取500mA電流的設(shè)備插入總線供電的USB集線器，而且未進(jìn)行正確的枚舉過(guò)程，則可能導(dǎo)致集線器端口和主機(jī)端口同時(shí)過(guò)載。

　　主機(jī)操作系統(tǒng)采用高級(jí)電源管理時(shí)情況會(huì)更加復(fù)雜，特別是筆記本電腦，它總是希望端口電流盡可能低。在某些節(jié)電模式下，計(jì)算機(jī)會(huì)向USB設(shè)備發(fā)出掛起命令，而后則認(rèn)為設(shè)備進(jìn)入了低功耗模式。設(shè)備中包含一個(gè)能與主機(jī)進(jìn)行通信的功能控制器始終是一個(gè)比較好的做法，即使對(duì)于低功耗設(shè)備來(lái)說(shuō)也是如此。

　　USB 2.0規(guī)范非常全面，規(guī)定了電源的質(zhì)量、連接器構(gòu)造、電纜材質(zhì)、容許的電壓跌落以及浪涌電流等。低電流和大電流端口具有不同的電源指標(biāo)。這主要是由主機(jī)和負(fù)載間的連接器和電纜上的電壓跌落決定的，并包括由USB供電的集線器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計(jì)算機(jī)或者自供電USB集線器在內(nèi)的主機(jī)，都具有大電流端口，可提供最大500mA的電流。無(wú)源、總線供電的USB集線器具有低電流端口。表1列出了USB大電流和低電流端口上游端(電源)引腳允許的電壓容限。

　　表1. USB 2.0規(guī)范電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

Parameter Requirement DC voltage, high-power port* 4.75V to 5.25V DC voltage, low-power port* 4.40V to 5.25V Maximum quiescent current (low power, suspend mode) 500μA Maximum quiescent current (high power, suspend mode) 2500μA Maximum allowable Input capacitance (load side) 10μF Minimum required output capacitance (host side) 120μF ±20% Maximum allowable inrush charge Into load 50μC

       *這些指標(biāo)適用于上游端主機(jī)或集線器端口的連接器引腳。電纜和連接器上的I x R跌落需另外考慮。

       在符合USB 2.0規(guī)范的主機(jī)中，大功率端口的上游端具有120μF、低ESR電容。所連接的USB設(shè)備的輸入電容限制在10μF以內(nèi)，在最初的負(fù)載連接階段，允許負(fù)載從主機(jī)(或自供電集線器)吸取的最大電荷數(shù)為50μC。這樣一來(lái)，當(dāng)新設(shè)備連接至USB端口時(shí)，上游端口的瞬態(tài)電壓跌落小于0.5V。如果負(fù)載正常工作時(shí)需要更大的輸入電容，則必須提供浪涌電流限制器，以保證對(duì)更大的電容充電時(shí)電流不會(huì)超過(guò)100mA。

　　當(dāng)USB端口帶有一個(gè)總線供電的USB集線器，集線器上接了低功耗設(shè)備時(shí)，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負(fù)載與總線供電的集線器連接時(shí)，電壓跌落將超過(guò)圖1給出的指標(biāo)，并會(huì)引起總線過(guò)載。

　　
圖1. 主機(jī)至低功率負(fù)載的電壓跌落大于圖中給出的允許直流電壓跌落時(shí)，會(huì)引起總線過(guò)載

　　電池充電要求

　　單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池

　　如今的鋰電池充電至最大額定容量后，其電壓通常為4.1V至4.2V之間。當(dāng)前市場(chǎng)上正在出售的、更新的、容量更大的電池，其電壓范圍在4.3V至4.4V之間。典型的棱柱形鋰離子(Li+)和鋰聚合物(Li-Poly)電池容量為600mAh至1400mAh。

　　對(duì)Li+和Li-Poly電池來(lái)說(shuō)，首選的充電曲線是從恒流充電開(kāi)始，一直持續(xù)到電池電壓達(dá)到額定電壓。然后，充電器對(duì)電池兩端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。這兩種調(diào)節(jié)方式構(gòu)成了恒流(CC)恒壓(CV)充電方式。因此，這種類型的充電器通常稱為CCCV充電器。CCCV充電器進(jìn)入CV模式后，電池的充電電流開(kāi)始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當(dāng)電池達(dá)到其充滿容量的80%至90%時(shí)，充電器由CC模式轉(zhuǎn)換為CV模式。充電器一旦進(jìn)入CV充電模式，則對(duì)電池電流進(jìn)行監(jiān)視；當(dāng)電流達(dá)到最低門(mén)限(幾毫安或者幾十毫安)時(shí)，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線如圖2所示。

　　
圖2. 使用CCCV充電器對(duì)Li+電池充電時(shí)的典型曲線

　　從圖1所示的USB電壓跌落指標(biāo)可以看出，端口供電集線器的下游低功率端口電壓不具備足夠的余量，很難將電池充至4.2V。充電通路上存在的小量額外電阻會(huì)妨礙正常充電。

　　Li+和Li-Poly電池應(yīng)在合適的溫度下進(jìn)行充電。制造商推薦的最高充電溫度通常為+45°C至+55°C之間，允許的最大放電溫度可再高出10°C左右。這些電池使用的材料，化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，如果電池溫度超過(guò)+70°C，會(huì)發(fā)生燃燒。鋰電池充電器應(yīng)具備熱關(guān)斷電路，該電路監(jiān)視電池溫度，如果電池溫度超過(guò)制造商推薦的最大充電溫度時(shí)，則終止充電。

　　鎳氫電池（NiMH）

　　NiMH電池比鋰電池要重一些，其能量密度也比鋰電池低。一直以來(lái)，NiMH電池比鋰電池要便宜，但是最近二者的價(jià)格差在縮小。NiMH電池具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在大多數(shù)應(yīng)用中可直接替換堿性電池。每節(jié)電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，充滿后會(huì)達(dá)到1.5V。

　　通常采用恒流源對(duì)NiMH電池充電。當(dāng)達(dá)到充滿狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，并導(dǎo)致電池溫度上升，電池端電壓降低?？蓹z測(cè)電池溫度上升速率或者負(fù)向電壓變化率，并用來(lái)終止充電。這些充電終止方法分別稱為dT/dt和-ΔV。充電速率非常低時(shí)，dT/dt和-ΔV不太明顯，很難精確檢測(cè)到。電池開(kāi)始進(jìn)入過(guò)充狀態(tài)時(shí)，dT/dt和-ΔV響應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)。此時(shí)如果繼續(xù)充電，將損壞電池。

　　終止檢測(cè)在充電速率大于C/3時(shí)要比低充電速率時(shí)容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鐘，-ΔV響應(yīng)也比低充電速率時(shí)更明顯。快充結(jié)束后，建議以更小的電流再充一段時(shí)間，以徹底充足電池(補(bǔ)足充電)。補(bǔ)足充電階段結(jié)束后，采用C/20或者C/30的涓充電流來(lái)補(bǔ)償自放電效應(yīng)，使電池維持在充滿狀態(tài)。圖3所示為采用DS2712 NiMH充電器對(duì)NiMH電池(事先已充了一部分電)進(jìn)行充電的電池電壓曲線。在該圖中，上面一條曲線的數(shù)據(jù)在充電電流正在灌入電池時(shí)獲得，下面那條曲線的數(shù)據(jù)在切斷電流時(shí)測(cè)得。在DS2712中，該電壓差被用來(lái)區(qū)分NiMH電池和堿性電池。如果檢測(cè)到堿性電池，則DS2712不會(huì)對(duì)它進(jìn)行充電。

　　
圖3. 采用DS2712充電控制器對(duì)NiMH電池充電

　　開(kāi)關(guān)與線性

　　USB 2.0規(guī)范允許低功率端口提供最大100mA電流，大功率端口提供最大500mA電流。如果采用線性調(diào)整器件來(lái)調(diào)節(jié)電池充電電流，這也就是最大可提供的充電電流。線性調(diào)整器件(圖4)的功耗為P = VQ x IBATT。這會(huì)造成調(diào)整管發(fā)熱，可能需要安裝散熱器，以防止過(guò)熱。

　　
圖4. 功耗等于電池充電電流乘以調(diào)整管兩端的電壓

　　對(duì)應(yīng)5V標(biāo)稱輸入電壓，調(diào)整器件消耗的功率與電池類型、數(shù)量和電池電壓有關(guān)。

　　
圖5. 采用5.0V電壓的USB端口對(duì)NiMH電池充電時(shí)，線性調(diào)整器件的功耗

     標(biāo)稱輸入電壓為5.0V時(shí)，線性USB充電器對(duì)NiMH電池充電的功耗計(jì)算結(jié)果如圖5所示。對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，線性充電器的效率僅為30%；對(duì)兩節(jié)電池充電時(shí)，效率為60%。用500mA電流對(duì)單節(jié)電池充電時(shí)，功耗會(huì)高達(dá)2W。這樣的功耗通常需要加散熱器。功耗為2W時(shí)，熱阻為+20°C/W的散熱器在+25°C環(huán)境溫度下會(huì)被加熱至大約+65°C，要得到滿額性能，還需要有流動(dòng)空氣來(lái)協(xié)助其散熱。處于空氣靜止的封閉空間內(nèi)，溫度會(huì)更高。

　　采用基于開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的充電器可解決多個(gè)問(wèn)題。首先，與線性充電器相比，能夠以更快的速率、更大的電流對(duì)電池進(jìn)行充電(圖6)。由于功耗較低、發(fā)熱較少，熱管理方面的問(wèn)題也減少了。同時(shí)，由于運(yùn)行溫度降低，充電器更加可靠。

　　
圖6. 對(duì)單節(jié)NiMH電池充電時(shí)，線性充電器和開(kāi)關(guān)充電器的充電時(shí)間不同

　　圖6中的計(jì)算結(jié)果基于以下條件和假設(shè)得到：采用高功率USB口最大允許電流(500mA)的大約90%充電；開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器采用非同步整流的buck轉(zhuǎn)換器，具有77%效率。

　　電路實(shí)例

　　圖7所示電路是用于單節(jié)NiMH電池充電的開(kāi)關(guān)模式降壓型調(diào)節(jié)器。它采用DS2712充電控制器調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過(guò)+45°C或者低于0°C，控制器不會(huì)對(duì)電池充電。

　　
圖7. USB端口對(duì)單節(jié)NiMH電池快速充電的原理圖

　　如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開(kāi)關(guān)功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續(xù)流或整流二極管。輸入電容C1為10μF、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會(huì)使充電器的性能降低。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測(cè)放大器的檢流電阻。DS2712的基準(zhǔn)電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過(guò)CSOUT提供閉環(huán)、開(kāi)關(guān)模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時(shí)，使能Q1的柵極驅(qū)動(dòng)。Q1和Q2均為低Vt (柵-源門(mén)限電壓)的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時(shí)，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構(gòu)成了Q1的柵極開(kāi)關(guān)電壓。

　　CC1為低電平時(shí)，啟動(dòng)電流閉環(huán)控制。圖8所示為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)的波形。上方波形是0.125? (檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開(kāi)始時(shí)，當(dāng)Q1打開(kāi)(CC1和CSOUT均為低電平)時(shí)，電感電流向上爬升。當(dāng)電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達(dá)到0.125V時(shí)，CSOUT變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)關(guān)斷。此后，電感電流開(kāi)始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達(dá)到約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖健Ｖ灰狢C1為低電平，該過(guò)程將一直持續(xù)。

　　
圖8. USB NiMH充電器的啟動(dòng)波形

　　DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制著CC1的工作。充電開(kāi)始時(shí)，DS2712先對(duì)電池進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認(rèn)溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對(duì)電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過(guò)1.0V后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)為快充模式?？斐鋾r(shí)占空比為31/32，即大約97%。“跳過(guò)”的間隙內(nèi)進(jìn)行電池阻抗測(cè)試，以確保不會(huì)對(duì)錯(cuò)誤放入充電器的高阻抗電池(例如堿性電池)進(jìn)行充電。檢測(cè)到-2mV的-ΔV后，快充結(jié)束。如果未檢測(cè)到-ΔV，將持續(xù)快充，直到快充定時(shí)器超時(shí)，或檢測(cè)到過(guò)溫或者過(guò)壓故障狀態(tài)(包括阻抗不合格)為止。快充完成(由于-ΔV或快充定時(shí)器超時(shí)) 后，DS2712進(jìn)入定時(shí)補(bǔ)足充電模式，占空比為12.5%，持續(xù)時(shí)間為所設(shè)快充定時(shí)的一半。補(bǔ)足充電完成后，充電器進(jìn)入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。

　　采用圖7所示充電器和大功率USB端口對(duì)2100mAh NiMH電池充電時(shí)，快充時(shí)間為2小時(shí)多一點(diǎn)，大約3個(gè)小時(shí)完成包括補(bǔ)足充電在內(nèi)的全部充電過(guò)程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機(jī)進(jìn)行枚舉過(guò)程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯(lián)一個(gè)開(kāi)漏極nMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，則TMR浮空，DS2712進(jìn)入掛起狀態(tài)。

　　總結(jié)

　　對(duì)于小型消費(fèi)類電子設(shè)備的電池充電而言，USB端口是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的電源。為完全符合USB 2.0規(guī)范，連接在USB端口上的負(fù)載必須能夠與主機(jī)進(jìn)行雙向通信。負(fù)載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機(jī)確定何時(shí)需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統(tǒng)能夠適應(yīng)大部分USB主機(jī)，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。只有很好地理解USB規(guī)范要求和負(fù)載的期望，才能在對(duì)于規(guī)范的兼容性與負(fù)載復(fù)雜度之間取得較好的平衡。