高效USB端口電池充電方案

USB為多種便攜設備提供了通過(guò)單個(gè)通用電源充電的手段，從而更加方便。但是這方面也存在著(zhù)許多挑戰。以前的USB充電能力相當有限;標準USB主機端口的電流確實(shí)只適合為計算機外設(比如鍵盤(pán)，鼠標和讀卡器)進(jìn)行供電。USB2.0支持的供電電流可達500mA,可以為電池緩慢充電。與此同時(shí)，大家期待的是如何大幅縮短充電時(shí)間。

在這個(gè)環(huán)境下，2011年初推出的1.2版USB充電規范，提出了新的供電模式，增加了為設備電池充電的靈活性。本文將介紹可支持最大1.8A電流的專(zhuān)用充電接口(DCP)的概念。這幾乎是標準下行端口(SDP)USB2.0連接承載電流的4倍，從而能夠極大加快充電時(shí)間。

關(guān)于DCP

USB接口有4條屏蔽線(xiàn)。它們是：用于給連接外設供電的VBUS,負數據端D-,正數據端D+以及接地GND(圖1)。在DCP中，D+和D-通過(guò)一個(gè)200Ω電阻短接在一起，防止數據傳輸。它向連接外設指示，端口完全集中在充電功能，不能提供主控功能。通過(guò)USB端口進(jìn)行連接的任何便攜設備能夠區分它是處于DCP或是SDP相當重要。這樣使它能夠利用更大的可用充電電流。

圖1:DCP與SDP的不同點(diǎn)。

DCP識別

圖2給出了一個(gè)符合1.2版USB充電規范的充電電路的例子。它包括大量的分立器件，要求系統微處理器處理識別程序。這意味著(zhù)微處理器的一部分有價(jià)值的處理能力不能投入核心應用，從而影響了系統的總體性能。此外，還需要采用相當多的器件，花費較多時(shí)間寫(xiě)代碼和實(shí)現完全有效的整體電路設計。

圖2:傳統的USB電池充電線(xiàn)路。

飛特蒂亞(FTDI)公司致力于簡(jiǎn)化USB充電，以便將開(kāi)發(fā)時(shí)間、系統復雜性和工程資源的利用降低到最低限度，以獲取最大的投資回報。這樣便引出了X-CHIP系列USB控制器IC,其主要特征是支持USB電池充電的新概念。每個(gè)IC的內部電路使采用該芯片設計的便攜設備能夠檢測到何時(shí)設備連接到了DCP.一旦檢測到DCP,X-CHIP便在其某個(gè)CBUS引腳上發(fā)出一個(gè)信號，啟動(dòng)充電。

圖3描述了基于X-CHIP的電池充電應用。電路在連接到USB主機端口或DCP的時(shí)候會(huì )為電池充電。CBUS引腳可用于控制電池充電率(取決于所檢測到的電源和相應的電流限值)。電池的充電率由連接到凌力爾特公司(Linear)電池充電控制器LTC4053的PROG引腳的電阻決定。

圖3:簡(jiǎn)化的USB充電線(xiàn)路。

CBUS管腳包括BCD#、PWREN#和SLEEP#.BCD#是漏極開(kāi)路低電平有效輸出信號。它用來(lái)指示X-CHIP何時(shí)被連接到DCP.PWREN#是漏極開(kāi)路低電平有效輸出信號。它顯示X-CHIP已經(jīng)被USB主控制器所列舉。該信號用于選擇PROG引腳上的電阻值，以便驅動(dòng)500mA充電。SLEEP#是推挽式低電平有效輸出信號。它顯示X-CHIP何時(shí)進(jìn)入USB掛起模式。該信號用于在設備由USB主機供電，主控端將X-CHIP設置為掛起模式時(shí)，切斷LTC4053電源。

在圖3中，LT4053的PROG引腳的阻抗由電阻R12,R13和R14設置。BCD#用于配置PROG引腳的電阻網(wǎng)絡(luò )以達到約1A的充電電流。

BCD#,PWREN#和SLEEP#輸出設計是為了將充電應用的外部電路最小化。通常，外部MOSFET器件需要選擇范圍。正如前文所提，X-CHIP驅動(dòng)BCD#信號來(lái)指示DCP的檢測。漏極開(kāi)路輸出將R14短路到地，從而LTC4053 PROG引腳的阻抗將為16.5k?與1.5k?電阻并聯(lián)到地。這能夠觸發(fā)將近1A的充電電流。當X-CHIP連接到標準USB主控制器時(shí)，這個(gè)引腳不會(huì )驅動(dòng)，設備作為一個(gè)傳統的USB接口芯片來(lái)工作。由于BCD#信號是沒(méi)有內部上拉的漏極開(kāi)路輸出，它可用來(lái)將電阻R14下拉到地，而不需要使用任何外部MOSFET.

在設備啟動(dòng)時(shí)，CBUS引腳默認為輸入，并具有微弱的上拉，直到讀取MTP ROM.這將發(fā)生將近14ms時(shí)間，之后，CBUS引腳將采用它們所選的功能，像本文中所描述的那樣工作。

本文小結

得益于USB的廣泛應用，USB端口顯然是便攜式設備獲取電源的便利之所，通過(guò)單獨互連便可以提供10W功率，供應給各種不同的設備。而且，各國(包括中國和歐盟成員國)USB充電標準化的推行使消費者能夠采用更少的充電電纜。這將在增加便利的同時(shí)，減少每年進(jìn)入環(huán)境的電子廢物的數量(這主要是由定制適配器產(chǎn)生的)。通過(guò)使用集成方式而不是依賴(lài)于分立器件，能夠創(chuàng )建空間、器件和工程資源方面更優(yōu)的充電電路。USB不僅是最受歡迎的數字互聯(lián)線(xiàn)，而且是電子產(chǎn)品供電和電池充電的關(guān)鍵系統部件。