USB電池充電基礎：應急指南

摘要：毋庸置疑，USB電源最有用的一個(gè)功能是能夠為便攜裝置的電池充電。但是，無(wú)論是USB電源還是其它電源，電池充電都不僅僅是從電源取電這樣簡(jiǎn)單。對于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會(huì )縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設計合理的充電器可以?xún)?yōu)化安全性并增強用戶(hù)體驗，同時(shí)它還降低了退貨、維修擔保等風(fēng)險，進(jìn)而降低成本。通過(guò)USB為電池充電需要權衡電池“維護和保養”，考慮USB功率限制以及便攜式消費產(chǎn)品設計中存在的體積和成本問(wèn)題。本文討論了如何在這些因素中達到最佳平衡。

　　引言

　　USB為便攜設備供電與其串行通信功能一樣，已經(jīng)成為一種標準應用。如今，USB供電已經(jīng)擴展到電池充電、交流適配器及其它供電形式的應用。應用的普及帶來(lái)的一個(gè)顯著(zhù)效果是便攜設備的充電和供電可以互換插頭和適配器。因此，相對于過(guò)去每種裝置都采用專(zhuān)用適配器的架構相比，目前的解決方案允許采用多種電源進(jìn)行充電。

　　毋庸置疑，USB電源的最大用途是能夠為便攜產(chǎn)品的電池充電。但是，無(wú)論是USB電源還是其它電源，電池充電都不僅僅是從電源取電這樣簡(jiǎn)單。對于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會(huì )縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設計合理的充電器可以?xún)?yōu)化安全性并增強用戶(hù)體驗，同時(shí)它還降低了退貨、維修擔保等風(fēng)險，進(jìn)而降低成本。

　　通過(guò)USB為電池充電需要權衡電池“維護和保養”，考慮USB功率限制以及便攜式消費產(chǎn)品設計中存在的體積和成本問(wèn)題。本文討論了如何在這些因素中達到最佳平衡。

　　供電端口

　　USB規范已經(jīng)經(jīng)歷了幾代電源管理技術(shù)。最初的USB 1和USB 2.0規范規定了兩種類(lèi)型的電源(分別是5V 500mA和5V 100mA)，為所連接的設備供電。這些規范并非針對電池充電，而是用于小型外設供電，例如麥克風(fēng)和鍵盤(pán)。但這并不妨礙設計人員設計出自己的USB電池充電裝置。然而，如果沒(méi)有統一指導，不同裝置和充電器之間的互操作性就得不到保證。這種限制促使近期開(kāi)發(fā)了USB規范補充說(shuō)明：電池充電規范，1.1版，4/15/2009 (BC1.1)1，補充了充電知識和電源說(shuō)明，最大電源電流可達1.5A。盡管標題為“電池充電規范”，但該文件幾乎沒(méi)有包括關(guān)于充電電池指標的任何信息，只是規定了應該從USB端口吸收多大功率充電。實(shí)際充電方法依然會(huì )留給設計人員。

　　在BC1.1之前，所有USB電源端口在有效工作(即USB術(shù)語(yǔ)中的“非掛起”模式)時(shí)，歸為“低功率”(100mA)或“大功率”(500mA)。任何端口也可以“掛起”，意味著(zhù)接近關(guān)閉，但仍可提供2.5mA電流。對于大多數設備，PC、筆記本電腦或供電集線(xiàn)器(供電集線(xiàn)器是一種USB中斷盒，利用自身的墻上適配器電源提供總線(xiàn)供電)端口為“大功率”，除了上行USB主機提供的電源外，不接收其它電源的集線(xiàn)器端口被認為是“低功率”。插入裝置后，最初允許吸收最大100mA的電流，同時(shí)進(jìn)行枚舉并與主機協(xié)商其電流預算。隨后，可能允許吸收高達500mA的電流，或者是保持在100mA。在USB串行總線(xiàn)規范2.0版的第7.2.1.4部分對此進(jìn)行了詳細規定。

　　BC1.1的內容超出了USB 2.0規定的電源分配，它定義了更多用于充電的電源。主要有三種不同類(lèi)型的電源：

　　1.標準下行端口(SDP)這與USB 2.0規范定義的端口相同，也是臺式機和筆記本電腦常見(jiàn)的典型端口。掛起時(shí)，最大負載電流為2.5mA；連接且非掛起狀態(tài)下為100mA，可以配置電流為500mA (最大)。設備可利用硬件識別SDP，USB數據線(xiàn)D+和D-分別通過(guò)15kΩ接地，但仍然需要枚舉，以符合USB規范。盡管現在許多硬件不經(jīng)枚舉即消耗功率，但在USB 2.0規范中，從嚴格意義上并不合法，違反規范要求。

　　2.充電下行端口(CDP) BC1.1為PC、筆記本電腦及其它硬件規定了這種較大電流的新型USB口?，F在，CDP可提供高達1.5A電流，由于可在枚舉之前提供電流，所以有別于USB 2.0。插入CDP的裝置可通過(guò)操縱和監測D+、D-線(xiàn)，從而利用硬件握手識別CDP (參見(jiàn)USB電池充電規范第3.2.3部分)。在將數據線(xiàn)轉為USB收發(fā)之前進(jìn)行硬件測試，這樣就能夠在枚舉之前檢測到CDP (以及開(kāi)始充電)。

　　3.專(zhuān)用充電端口(DCP) BC1.1規定了不進(jìn)行枚舉的電源，例如墻上適配器電源和汽車(chē)適配器，不需要數字通信即可啟動(dòng)充電。DCP可提供高達1.5A電流，通過(guò)短路D+和D-進(jìn)行識別，從而能夠設計DCP“墻上適配器電源”，采用USB mini或微型插孔，而非圓形插頭或自制連接器的固定安裝線(xiàn)。這樣的適配器可采用任意USB電纜(配備正確插頭)進(jìn)行充電。

　　USB電池充電規范，1.1版，4/15/2009中對這些接口類(lèi)型進(jìn)行了詳細規定。

　　電源類(lèi)型檢測

　　對于連接到任意USB插孔并利用該電源工作或為電池充電的裝置，需要了解吸收多大的電流合適。如果從只能提供500mA的電源試圖吸收1A電流，這種措施并不妥當。USB接口出現過(guò)載時(shí)很可能導致關(guān)斷、燒毀保險絲或觸發(fā)自恢復保險絲動(dòng)作。即使具有自恢復保護，也只能在拔出設備并重新連接后才能重新啟動(dòng)。在保護措施不嚴謹的接口設計中，接口過(guò)載會(huì )造成整個(gè)系統復位。

　　便攜設計可以選擇適當方法管理接口檢測，可以兼容于BC1.1、只兼容USB 2.0或根本不兼容。如果完全兼容于BC1.1，則必須能夠檢測所有類(lèi)型的USB電源并限制其電流，包括合法的USB 1和2.0接口。如果兼容2.0，將在枚舉后從SDP充電，但可能不能識別CDP和DCP。若不能識別CDP，它仍然能夠充電并保持兼容，但只能在枚舉后進(jìn)行，與SDP方式相同。其它部分兼容和不兼容標準的充電方法將在隨后討論。

　　器件可利用自身軟件檢測接口，或采用獨立于系統資源、通過(guò)USB D+和D-數據線(xiàn)之間的互動(dòng)進(jìn)行檢測的接口IC。這些功能設計的劃分具體取決于系統架構。例如，已經(jīng)采用微控制器或專(zhuān)用IC管理電源的設備，可能更傾向于使用IC進(jìn)行端口檢測和電流選擇。由于這些設備能夠通過(guò)USB連接主機并進(jìn)行通信，可根據枚舉和配置結果選擇充電。這些選擇可以由應用處理器控制，或者是由負責電源管理及其它系統功能的獨立微控制器控制。系統檢測端口類(lèi)型、枚舉，并向充電器發(fā)送相應指令。充電器負責處理充電的硬件和安全事項，具有內置門(mén)限，使系統不會(huì )損害電池(圖1)。

圖1. 無(wú)枚舉充電器。USB收發(fā)器和微處理器處理USB枚舉，然后微控制器將電池充電器設置在正確的參數

　　不同的設備設計可能不通過(guò)USB通信，或不希望專(zhuān)用系統軟件管理USB充電，而僅僅是采用USB端口供電。這種方式避免了設計復雜性，或者無(wú)需擔心軟件故障所造成的充電失效。由于系統不進(jìn)行枚舉，最好的充電選擇是自枚舉充電器IC。充電器負責端口檢測并選擇合適的USB負載電流門(mén)限，無(wú)需系統介入(圖2)。

圖2. 自枚舉充電器直接連接至USB數據線(xiàn)，使得簡(jiǎn)單系統能夠完全利用USB充電，無(wú)需占用USB收發(fā)器或微處理器資源。

　　USB連接術(shù)語(yǔ)

　　這里，我們有必要介紹一下部分USB術(shù)語(yǔ)，包括“插入”、“連接”、“枚舉”和“配置”。

　　插入：插入USB電纜的物理過(guò)程。

　　連接：設備將1.5kΩ上拉電阻連接至D+或D-數據線(xiàn)時(shí)(剛插入)。

　　枚舉：設備和主機之間交換初始數據，識別設備類(lèi)型。

　　配置：設置設備參數。

　　在USB 2.0中，設備進(jìn)行枚舉和配置期間需要了解USB端口可源出多大電流。枚舉和配置需要設備與主機之間進(jìn)行數字通信。BC1.1擴展了USB規范，除USB 2.0選項外，BC1.1還允許利用“啞”操作確定端口類(lèi)型，所以，有些端口無(wú)需枚舉即可充電。