USB電池充電基礎：應急指南

　　內置過(guò)壓和極性反接保護

　　盡管USB充電規范對電源適配器和充電器進(jìn)行了一定程度的強制要求，但是針對便攜設備的USB設計仍然比較混亂，尤其是那些選擇使用普通圓形插頭作為電源的應用(只使用適配器或者是雙輸入設備非常普遍)。用戶(hù)極容易使用“隨手找到”的、但輸出電壓甚至極性是錯誤的適配器。通過(guò)在充電器電源輸入端集成正、負22V保護，MAX8900能夠減輕設計人員的負擔：無(wú)需外部保護器件或MOSFET開(kāi)關(guān)(圖11)。

圖11. 具有±22V過(guò)壓和極性反接保護的直接連接開(kāi)關(guān)模式充電器

　　MAX8900是一款直接連接充電器，系統通常連接至電池。其3.25MHz開(kāi)關(guān)頻率允許使用非常小的外圍器件，并提供高達1.2A的充電電流，熱耗非常低。除了雙極性輸入保護外，還根據JEITA規定，按照溫度的變化調整充電參數。

　　通過(guò)USB為NiMH電池充電

圖12. USB供電的單節NiMH電池開(kāi)關(guān)模式充電器

　　雖然表面上Li+電池已經(jīng)占據整個(gè)便攜世界，但NiMH電池并沒(méi)有被完全遺棄。令人吃驚的是，盡管單位重量的能量仍然有較大差距，但其單位體積的能量?jì)H比Li+電池低大約15%。NiMH電池的最大缺點(diǎn)是自放電率較高，混合型NiMH電池在很大程度解決了這一問(wèn)題，例如SANYO? Eneloop?電池，靜態(tài)下一年之后仍然能夠保留85%的電量。NiMH電池的吸引力在于成本低、安全性高、用戶(hù)更換方便等，至少標準電池具備這些優(yōu)勢。

　　圖12所示便攜設備由一節AA型NiMH電池供電，利用USB充電。DS2710充電器開(kāi)關(guān)頻率大約為150kHz，電池充電電流為1.1A (典型AA型NiMH電池在大約0.5°C條件下)。由于降壓轉換器將5V、500mA轉換成電池充電時(shí)的1.5V、1.1A，電路供給電池的電流(1.1A)大于從USB接口獲得的電流(500mA)。需要注意的是，由于在低充電速率下不能正確判斷充電終止，只能采用500mA或更大功率的端口進(jìn)行充電。所以，當枚舉確定只有100mA電流可用時(shí)，不應激活充電。系統通過(guò)關(guān)閉TMR上的Q2，使定時(shí)器電阻懸空，停止充電。

　　該充電器另外一項特別有用的功能是：通過(guò)檢測電池阻抗確定接入的是否為堿性電池或故障電池，檢測到這種狀況時(shí)將禁止充電。這就允許用戶(hù)在緊急情況下插入堿性電池，無(wú)需擔心意外充電。

　　USB 3.0

　　USB 3.0規范進(jìn)一步提高了USB的數據速率。規范在電源方面與USB 2.0相似，只不過(guò)“單位負載”從100mA增大至150mA，大功率端口不得不提供6個(gè)(而不是5個(gè))單位負載。這就意味著(zhù)低功率USB 3.0端口可提供150mA電流，大功率USB 3.0端口可提供900mA電流。

　　“假象”—非標準USB充電

　　與所有增加的不同于原始應用的標準一樣，制造商有時(shí)為了提供至少受限的充電架構而忽略了USB 2.0規范的部分要求。通常這種非標準設備在任何條件下吸收的電流都不大于100mA，所以，無(wú)論是大功率還是低功率集線(xiàn)器都不會(huì )過(guò)載。將電流限制在這一水平的缺點(diǎn)是電池充電時(shí)間較長(cháng)，但如果設備在大部分時(shí)間都連接至USB端口，或許仍可接受。除了充電時(shí)間較長(cháng)外，這種方式還有另外一個(gè)局限性：如果系統電池已完全放電，啟動(dòng)所有系統功能須延遲到電池達到足夠電量的水平。

　　非標準充電的另一方面涉及到USB掛起的處理。USB 2.0規定所有設備在一定周期內沒(méi)有總線(xiàn)操作時(shí)必須掛起(吸收電流小于2.5mA)。由于編制該規范時(shí)沒(méi)有包括充電，所以沒(méi)有考慮設備在關(guān)閉時(shí)繼續保持電池充電的情況。然而，由于大多數USB主機實(shí)際并不關(guān)閉電源，這種違反規范的操作也很少妨礙充電。

　　非標準充電假設可以獲得500mA電流，指示用戶(hù)插入到能夠提供500mA電流的電源端口和集線(xiàn)器。如上所述，由于大多數USB端口不關(guān)閉電源，這種方法在大多數情況下有效。當這樣的設備插入到不支持500mA電流的端口時(shí)，端口將按規定關(guān)斷。然而，USB端口的過(guò)載狀況并非任何情況下都給出了清晰的定義，會(huì )導致系統復位或損壞。幸運的是，電池充電已經(jīng)是USB規范的一個(gè)有機組成部分，所以不再需要如此的冒險操作。

　　結論

　　USB充電具有多種形式，取決于不同USB設備的獨特要求。USB電池充電規范1.1版最終對之前的許多充電操作進(jìn)行了規范。隨著(zhù)BC1.1標準的普及，將會(huì )降低制造商和消費者的成本。該標準應用的普及也會(huì )提高系統的互操作性。盡管如此，USB規范也僅僅規定了從端口獲取多大功率，仍然將電源管理架構和充電規范留給用戶(hù)去判讀。這正是Maxim各種充電器件的用武之地，它們能夠為幾乎所有USB連接的便攜設備提供安全、可靠的電池充電器。

　　表1匯總了以上討論的充電器，這些僅僅是Maxim產(chǎn)品的一小部分，更多產(chǎn)品選擇請訪(fǎng)問(wèn)電池管理。

表1. 具有代表性的USB電池充電器