為便攜式設備可靠供電開(kāi)發(fā)拓寬USB功能

4.2 方案分析

圖5所示電路中，設備(系統)負載何時(shí)與USB電源或交流適配器連接? USB電源和交流適配器何時(shí)開(kāi)始對電池充電?同時(shí),又要你保證系統負載能一直保持與電池相連，在此例中通過(guò)一個(gè)最大可提供200mA電流的簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器(IC2 MAX8881)來(lái)解決。如果系統持續消耗如此大的電流，而通過(guò)USB對電池充電電流只是100mA，最終電池還是會(huì )因負載電流大于充電電流而放電。在許多小型系統中，負載峰值電流僅在整個(gè)工作期間的部分時(shí)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(huì )被充電。連接交流適配器時(shí)，充電器(IC1)的最大電流上升到350mA。如果USB與交流適配器同時(shí)連接，但應自動(dòng)給予交流適配器優(yōu)先權。

USB規范要求充電器(IC1)具備的一個(gè)特性(而且，一般來(lái)講對于充電器也是有利的)是電流不允許從電池或另一個(gè)電源回流到USB電源輸入端。在傳統的充電器中，可通過(guò)輸人二極管保證，但USB最小電壓為4.35V(由USB功率簡(jiǎn)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(shí)(mAH)，充電時(shí)間就會(huì )很長(cháng)。第二個(gè)限制是由于基本充電器的負載(指線(xiàn)性穩壓器的輸入)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(shí)也許不能立即開(kāi)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(shí)間。

5、改進(jìn)技術(shù): 充電器充電電流和外圍電路的改進(jìn).

在更先進(jìn)的系統中，需要對充電器內部和外圍電路進(jìn)行多處改進(jìn)，這些改進(jìn)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(shí)的負載切換;以及過(guò)壓保護。

5.1 改進(jìn)技術(shù)方案(見(jiàn)圖6所示的電).

在圖6所示的電路中，就是利用充電器IC1內部的電壓監測器(充電控制器)驅動(dòng)外部MOSFET Q3(FDN302)來(lái)實(shí)現了上述的改進(jìn)功能。

5.2 改進(jìn)技術(shù)的實(shí)現

MOSFET Q1(FDN302)和Q2(FDN302)以及二極管D1和D2繞過(guò)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(gè)電源(USB或DC電源輸入)輸人有效時(shí)，其監視輸出　變低，相應的MOSFET管導通。當兩個(gè)輸入都有效時(shí)，DC輸入優(yōu)先使用。IC1可防止兩個(gè)輸人同時(shí)被使用。二極管D1和D2用來(lái)阻斷系統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(chǎng)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(guò)壓保護，保護電壓最高達18V。欠壓/過(guò)壓監視器(在DC端)只允許交流適配器電壓在4V至6.25V之間時(shí)對電池充電。

最后一個(gè)MOSFET Q3，在沒(méi)有有效的外部電源(即USB電源輸入或DC電源輸入)接人時(shí)導通，用電池向負載設備供電。當USB電源或DC電源任何一個(gè)接人時(shí)，“電源通”(PON)輸出立即關(guān)閉Q3，將電池與負載設備斷開(kāi)。這樣當有外部電源接人時(shí)，即使電池深度放電或已損壞，系統仍能立即開(kāi)始工作。

5.3 完善與實(shí)用

一旦USB設備與主機連接時(shí)，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(kāi)始時(shí)的一個(gè)單位負載上升到五個(gè)單位負載。5比1的電流范圍對不是專(zhuān)為USB設計的傳統充電器來(lái)說(shuō)可能會(huì )有問(wèn)題。而其問(wèn)題在于傳統充電器的電流精度，盡管在高電流時(shí)精度足夠，但在低電流時(shí)會(huì )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(gè)單位負載)不超過(guò)100mA限制，電流必須被設置在非常低的水平，從而導致無(wú)法使用。例如，對于精度為10%的500mA電流，為了保證不超過(guò)500mA，輸出只能設置為450mA。僅就這一點(diǎn)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(guò)100mA，平均電流只能設置成50mA。最低值可能會(huì )低至OmA，顯然這是無(wú)法接受的。如果要求USB充電在兩個(gè)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(shí)又不超越USB的限制。

在一些設計中，由于系統功率需求的關(guān)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(méi)有問(wèn)題。

* 一個(gè)高性?xún)r(jià)比的方案的出現

用一個(gè)高性?xún)r(jià)比的方案可滿(mǎn)足這一需求,即只需將圖6電路作一簡(jiǎn)化:將圖6電路中與系統負載相連的Q1、D1及連線(xiàn)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(guò)二極管D(MBR0520L)與系統負載相連;充電和系統運行仍然使用USB電源，但系統保持與電池連接。此設計的局限性與圖5所示電路相同,即如果USB接人時(shí)電池已深度放電，系統要經(jīng)過(guò)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(wú)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(lèi)似圖6中的MOSFET Q3)被關(guān)斷，系統負載由電池切換到了通過(guò)二極管D(類(lèi)似圖6中的D2)DC輸人上。

* 這樣一個(gè)簡(jiǎn)化又完善與實(shí)用的設計方案出現,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(shí),系統仍然采用電池供電.同時(shí)電池又被充電.

6、鎳氫電池充電

盡管Li+電池能為大多數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(gè)可行的選擇。當負載要求不太高時(shí)，使用鎳氫電池是一個(gè)降低成本的好方法。這需要使用一個(gè)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(lèi)型的穩壓器，而DC-DC僅是一種不同類(lèi)型的穩壓器，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(lái)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負載的供電。“充電器”實(shí)際上是一個(gè)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(gè)精確的電流源，但其適度的電流控制精度仍能滿(mǎn)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(jiàn)的線(xiàn)性電路相比，一個(gè)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NiMH電池充電時(shí)，電路僅從USB輸入端汲取150mA的電流。在充電的同時(shí)留出了350mA電流可供系統使用。負載由電池到USB的切換，是通過(guò)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(shí)現的。當USB斷開(kāi)時(shí)，boost轉換器IC2產(chǎn)生3.3V輸出。USB連接時(shí)，D1將DC-DC升壓器(IC2)輸出拉升至約4.7V.IC2輸出被拉升時(shí)會(huì )自動(dòng)關(guān)斷，關(guān)斷后從電池汲取的電流不超過(guò)1µA。如果不允許接人USB時(shí)輸出從3.3V變成4.7V，可用一個(gè)線(xiàn)性穩壓器與D1串聯(lián)。

此電路的一個(gè)局限是要依賴(lài)系統控制結束充電。IC1僅作為一個(gè)電流源，如果不加限制，會(huì )對電池過(guò)度充電。R1和R2設置IC1最大輸出電壓為2V，作為一個(gè)安全界限。充電能使輸入端被系統用來(lái)終止對電池充電。另外，因為150mA的充電器輸入電流大于一個(gè)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(yǔ)

以上開(kāi)的開(kāi)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(shí)際上是充分應用USB電源功能為數字化便攜式設備Li+或鎳氫(NiMH)電池充電特性分折,該設計技術(shù)既復雜亦可簡(jiǎn)單,這取決于USB接口的電源類(lèi)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?xún)r(jià)比,是要根據各便攜式設備實(shí)際情況而定.