USB電源充電設計技巧與注意事項

摘要

幾乎所有目前和未來(lái)推出的手持設備都要求使用USB 電源和 AC 墻上適配器充電，這給電池充電帶來(lái)了諸多挑戰。本文中，我們將討論簡(jiǎn)化 USB 充電的一些特性。具體而言，就是說(shuō)哪些特性可以幫助用戶(hù)設計一種符合 USB 規范的應用？設計如何能夠同時(shí)支持 USB 和 AC 適配器輸入呢？我們將討論靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 和輸入電流極限。下面就以 bq2407x 系列器件為例來(lái)說(shuō)明一下這些特性。導言

消費者希望其設備的電源線(xiàn)和連接線(xiàn)越來(lái)越少，并期望獲得通過(guò)計算機或 AC 插座充電的靈活性，因此要求幾乎所有目前和未來(lái)推出的手持設備都能通過(guò) USB 電源和 AC 墻上適配器充電。USB 要求給電池充電帶來(lái)了許多挑戰。使用同一條線(xiàn)纜的要求以及由此而來(lái)的 USB 和 AC 適配器單輸入都意味著(zhù)系統必須能夠識別并使用兩種電源。本文中，我們以 bq2407x 系列器件為例來(lái)介紹簡(jiǎn)化便攜式應用鋰離子 （Li-Ion） 電池充電系統設計的一些特性和規范。具體而言，我們將討論輸入電流極限、靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 以及中國充電器規范的影響。這些特性簡(jiǎn)化了便攜式應用的充電器設計。輸入電流極限

最公認的 USB 規范是 USB 設備的電流消耗。USB 電源分為低功率和高功率電源。低功率電源被定義為非自供電 USB 集線(xiàn)器。這些設備使用來(lái)自 USB 電源的 500mA 電流，且必須在所有連接至集線(xiàn)器的設備之間共用電流。低功率電源可提供 4.4V 的最低工作電壓，其電流極限設定在一個(gè)單位負載，即 USB1.x 和 2.0 下的 100mA。就超高速 （SuperSpeed） USB 而言，單位負載被增加到了 150mA。高功率電源是一些自供電的集線(xiàn)器或者計算機 USB 端口，其可提供最小工作電壓為 4.75V，擁有高達 5 個(gè)單位負載的電流，即 USB1.x 和 2.0 下每個(gè)端口 500mA，或者超高速 USB 下 6 個(gè)單位負載 （900mA）。所有設備默認均為低功率模式，但在枚舉主機時(shí)會(huì )要求高功率模式。除高功率和低功率端口以外，許多設備均通過(guò)使用相同連接器的 AC 適配器來(lái)運行。這些電源可提供高達 1.5A 的電流（USB 線(xiàn)纜傳輸能力）。設備不能使用 2.5mA 以上的電流時(shí)，最終模式為掛起模式。USB 設備必須支持所有這四種模式，以達到 USB 規范。充電設備的輸入電流極限不能超出 USB 規范。這就是說(shuō)您必須在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到技術(shù)說(shuō)明規范以驗證在所有工藝差異和溫度下均能夠保證電流極限不超出 USB 極限。圖 1 是 bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的一部分，其清楚地標明了輸入電流極限規范。請注意，規范的最大數值為 USB 極限。這樣就可以確保溫度、工藝和輸入電壓下的所有 bq2407x 器件都在 USB 規范以?xún)?。最?USB 規范極限列出的典型值是不允許的，因為一些部件會(huì )超出這一值。如果最大數值大于 USB 規范，則存在違反 USB 規范的可能性。

圖 1 bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的輸入電流極限節選主機要求系統進(jìn)入 USB 掛起模式時(shí)，規范極限為 2.5mA。

驅動(dòng) EN1 和 EN2 為高電平使得 bq2407x 進(jìn)入 USB 掛起模式。這種模式下，靜態(tài)電流減少至 50μA（最大）。如果其他電路由 VBUS 電源供電運行，則這會(huì )給設計人員帶來(lái)較大的裕量。就待機模式電流規范而言，其通常出現在電氣特性表的靜態(tài)電流部分。圖 2 顯示了 bq2407x 的靜態(tài)電流。請注意，在 USB 掛起模式 （EN1=EN2=HI） 下，最大靜態(tài)電流為 50μA （VBUS = 6V），其大大低于 USB 掛起模式的 2.5mA 要求。

圖 2、bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的靜態(tài)電流部分節選USB 啟動(dòng)問(wèn)題

USB 2.0 規范規定“并聯(lián)一個(gè)單位負載時(shí) （100mA），線(xiàn)纜下行端允許的最大負載 （CRPB） 為 10μF。10μF 電容代表一個(gè) VBUS 線(xiàn)之間直接連接的旁路電容器，加上通過(guò)設備調節器的所有可見(jiàn)電容效應。” ［1］。要對此進(jìn)行測試，USB-IF 測試程序文檔 1.3 版描述為“USB 規范允許高達 10uF 硬啟動(dòng)，其可形成 50.0uC 的最大浪涌電流值。” ［2］ 50μC 由公式 1 計算得到：我們如何將其變?yōu)殡娏鳂O限呢？安培單位為庫侖每秒。這就是說(shuō)在啟動(dòng)期間，電流極限以上的最大浪涌電流乘以電流極限以上的時(shí)間，所得結果必須小于 50μC。如公式 2 所示：請注意，IIN_AVG 代表浪涌電流期間的平均輸入電流。充電器設備的輸入電流極限必須防止來(lái)自 USB 電源的電流超出 50μC。圖 3 顯示了在 100mA 模式下 bq2407x 的啟動(dòng)情況。請注意，高亮區域代表允許的過(guò)沖充電區域。bq2407x 的輸入電容要求為 1μF。這超出了符合輸入電容規定的程度。輸入電流極限讓設計人員不必擔心系統的電容值，因為 USB 電源絕不會(huì )出現這種電流。

圖 3 輸入電流啟動(dòng)波形，EN1 = EN2 = GND， VBAT 《 VWEAKBATTbq2407x 的輸入電容要求為 1μF。

硬啟動(dòng) 1μF 要求 5μC。這種啟動(dòng)的系統電容為 47μF，其不能直接通過(guò) USB 端口啟動(dòng)。就輸入電流極限而言，硬啟動(dòng)系統電容并開(kāi)始充電都不成問(wèn)題。輸入電流閾值小于 100mA 規范，因此首次啟動(dòng)以后，便不會(huì )違反 USB100 規范。弱電池閾值

USB 規范要求在 VBUS 電源的電流大于 2.5mA 以前枚舉主機。但是，規范中有一條關(guān)于零電量、弱電量或無(wú)電池情況的規定。規定如下：“一個(gè)零電量、弱電量或無(wú)電池情況的設備需要在連接后 100ms 左右的時(shí)間提供 100mA 的電流，以確定它是否可以連接。” ［3］如果設備不能在 100ms 時(shí)間內以 100mA 啟動(dòng)，則可能會(huì )出現問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，USB 規范增加了一條電池充電的具體規定。其規定“如果便攜式設備不能以低于 100mA 的電流上電并連接，該零電量或弱電量電池的設備則可以使用主機提供的 100mA 電流首先將其電池充電至其弱電量電池閾值。一旦達到其弱電量電池閾值，立即要求設備上電并連接。” ［4］在弱電量電池閾值以上，假設電池足以為主機供電，因此主機開(kāi)啟。每種應用都定義了其自身的弱電量電池閾值。bq2407x 的硬件使能以及一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓探測器使得設計人員能夠輕松地滿(mǎn)足這一要求。

圖 4 顯示的是弱電量電池閾值情況下的一款簡(jiǎn)單解決方案。

圖 4 弱電量電池檢測實(shí)施必須對電壓探測器進(jìn)行應用弱電量電池閾值設置。

例如，TPS3836 有數個(gè)有效閾值。另外，為了獲得最大的靈活性，一些電壓探測器提供了可調節閾值。就這種應用來(lái)說(shuō)，重要的電壓探測器特性是一種有源低電平 RESET（VIN 《 VTHRESHOLD 時(shí)為低電平）推/拉輸出，這樣它便可以與主機輸出隔離。一旦主機出現，它便關(guān)閉電壓探測器，或者停止上拉。主機輸出的下拉力必須要大于將電壓探測器輸出與 EN1 和 EN2 隔離的一些電阻。圖 5 顯示了實(shí)施波形。將弱電量電池閾值設定為 3.3V。當插入 3.5V 電池時(shí)，其被識別為一塊狀態(tài)良好的電池，同時(shí) EN1 和 EN2 被 TPS3836 拉為高電平。枚舉主機以后，主機拉低 EN2，以將 bq24072 電池充電器設置為 USB500 模式。這種方法假定 HOST 關(guān)閉時(shí) HOST GPIO 為高阻抗。

圖 5 弱電量電池實(shí)施舉例基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM）

USB 規范規定，在通過(guò)所有集線(xiàn)器和線(xiàn)纜以后的滿(mǎn)負載條件下，低功率端口設備的輸出可以低至 4.4V。一些設備實(shí)施了基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM）。該環(huán)路降低了輸入電流極限，以防止輸入崩潰。圖 6 顯示了無(wú) VIN-DPM 保護情況下 USB 端口過(guò)負載的后果。請注意，當輸入電壓降至“電源良好”閾值以下時(shí)，充電器關(guān)閉。這樣會(huì )關(guān)閉電源的負載，并允許輸入電壓恢復，從而開(kāi)啟充電器。這種開(kāi)/關(guān)脈沖是多余的。

圖 6 無(wú) VIN-DPM 的輸入崩潰VIN-DPM 通過(guò)限制輸入電流來(lái)阻止出現脈沖，從而防止輸入電源崩潰。

圖 7 顯示了使用 bq2407x 充電器時(shí) USB 端口過(guò)載的結果。VIN-DPM 功能生效來(lái)降低輸入電流極限，并防止電源崩潰。

圖 7 使用了 VIN-DPM 的輸入過(guò)載保護中國充電器標準

展望未來(lái)，中國針對在中國銷(xiāo)售的充電器適配器制定了一套標準，旨在減少每年 1 億多淘汰手持設備的廢棄適配器數量。這種新的標準使用了許多 USB 規范。就這點(diǎn)而言，其要求適配器電源線(xiàn)有一個(gè)標準的 A 型 USB 連接器，以插入 AC 適配器或標準的 USB 端口。充電器必須能提供 300mA 和 1.8A 之間的電流。額定適配器電壓為 5V +/–5%，而且充電器必須工作在低于 6V 的電源下。電源超過(guò) 6V 時(shí)，下游電路必須得到保護。許多電池充電器 IC 都具有幫助達到中國充電器標準的功能。顧名思義術(shù)語(yǔ)“通用充電器”，即充電器 IC 的輸入必須穩健到能夠應對許多不同的電源，并且不再是只為單個(gè)特定適配器而進(jìn)行設計。它們必須能夠經(jīng)受得住高壓電源（例如：12V 車(chē)載電源等）的意外接入。如 bq2407x 等器件的寬輸入電壓范圍可在高達 28V 的輸入瞬態(tài)電壓條件下為下游設備提供保護。這種高輸入電壓范圍和過(guò)壓保護 （OVP） 功能可保護電池充電器和下游設備免受錯誤或潛在有害輸入電源的損壞。VIN-DPM 特性還有助于達到中國充電器標準。通用適配器可提供 300mA 和 1.8A 之間的電流。使用沒(méi)有 VIN-DPM 的設備時(shí)，如果 IC 編程為 500mA 輸入電流極限，則會(huì )使 300mA 適配器崩潰。VIN-DPM 功能可防止輸入在連接弱適配器時(shí)崩潰，而且仍然允許將電流極限針對典型適配器進(jìn)行設置以最大化充電時(shí)間。

結論

消費者希望其設備的電源線(xiàn)和連接線(xiàn)越來(lái)越少，并期望獲得通過(guò)計算機或 AC 插座充電的靈活性，因此要求許多目前和未來(lái)推出的手持設備都能通過(guò) USB 電源和 AC 墻上適配器充電。這樣，手持設備就必須要符合 USB 規范。這些要求給電池充電帶來(lái)了諸多新的挑戰。本文中，我們使用了 bq2407x 系列器件來(lái)介紹一些輸入電流極限規范、靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 的例子，這些特性簡(jiǎn)化了電池充電器的設計。另外，我們還探討了中國充電器標準對充電器設計的影響。我們簡(jiǎn)要介紹的這些規范和特性簡(jiǎn)化了充電器設計。