電池充電新方法――USB

引言

　　通用串行總線(xiàn)（USB）端口是一種帶有電源和地的雙向數據端口。USB可以連接所有類(lèi)型的外圍設備，包括外部驅動(dòng)器、存儲設備、鍵盤(pán)、鼠標、無(wú)線(xiàn)接口、攝像機和照相機、MP3播放器以及數不盡的各種電子設備。這些設備有許多采用電池供電，其中一些帶有內置電池。對于電池充電設計來(lái)說(shuō)，應用廣泛的USB既帶來(lái)了機遇，也帶來(lái)了挑戰。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(xiàn)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USB端口對NiMH電池智能充電，并給出了充電數據。

　　1 USB特性

　　USB總線(xiàn)能夠為低功耗電子設備提供電源?？偩€(xiàn)電源與電網(wǎng)隔離，并且具有很好的穩定性。但是，可用電流有限，同時(shí)負載和主機或電源之間存在潛在的互操作問(wèn)題。

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

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

　　某些主機系統（包括下游USB集線(xiàn)器）通過(guò)保險絲或者有源電流檢測器提供限流功能。如果USB設備未經(jīng)過(guò)枚舉過(guò)程便從USB端口吸取大電流（超過(guò)1個(gè)單位負載），則主機會(huì )檢測到過(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)上供應的許多USB設備，包括獨立電池充電器，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。在這種不恰當的條件下，這些設備可能導致主機出現問(wèn)題。例如，如果一個(gè)吸取500mA電流的設備插入總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)器，而且未進(jìn)行正確的枚舉過(guò)程，則可能導致集線(xiàn)器端口和主機端口同時(shí)過(guò)載。

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

　　USB 2.0規范非常全面，規定了電源的質(zhì)量、連接器構造、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。這主要是由主機和負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(xiàn)器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計算機或者自供電USB集線(xiàn)器在內的主機，都具有大電流端口，可提供最大500mA的電流。無(wú)源、總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)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規范電源質(zhì)量標準 Parameter Requirement

　　*這些指標適用于上游端主機或集線(xiàn)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規范的主機中，大功率端口的上游端具有120?F、低ESR電容。所連接的USB設備的輸入電容限制在10?F以?xún)?，在最初的負載連接階段，允許負載從主機（或自供電集線(xiàn)器）吸取的最大電荷數為50?C。這樣一來(lái)，當新設備連接至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，以保證對更大的電容充電時(shí)電流不會(huì )超過(guò)100mA。