USB端口對NiMH電池智能充電的實(shí)現

概述

　　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。

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90ohm;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

*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120µF、低ESR電容。所連接的USB設備的輸入電容限制在10µF以?xún)?，在?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50µC。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。

　　當USB端口帶有一個(gè)總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)器，集線(xiàn)器上接了低功耗設備時(shí)，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負載與總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器連接時(shí)，電壓跌落將超過(guò)圖1給出的指標，并會(huì )引起總線(xiàn)過(guò)載。


圖1. 主機至低功率負載的電壓跌落大于圖中給出的允許直流電壓跌落時(shí)，會(huì )引起總線(xiàn)過(guò)載。

電池充電要求

單節鋰離子和鋰聚合物電池

　　如今的鋰電池充電至最大額定容量后，其電壓通常為4.1V至4.2V之間。當前市場(chǎng)上正在出售的、更新的、容量更大的電池，其電壓范圍在4.3V至4.4V之間。典型的棱柱形鋰離子(Li+)和鋰聚合物(Li-Poly)電池容量為600mAh至1400mAh。

　　對Li+和Li-Poly電池來(lái)說(shuō)，首選的充電曲線(xiàn)是從恒流充電開(kāi)始，一直持續到電池電壓達到額定電壓。然后，充電器對電池兩端的電壓進(jìn)行調 節。這兩種調節方式構成了恒流(CC)恒壓(CV)充電方式。因此，這種類(lèi)型的充電器通常稱(chēng)為CCCV充電器。CCCV充電器進(jìn)入CV模式后，電池的充電 電流開(kāi)始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當電池達到其充滿(mǎn)容量的80%至90%時(shí)，充電器由CC模式轉換為CV模式。充電器一旦進(jìn) 入CV充電模式，則對電池電流進(jìn)行監視；當電流達到最低門(mén)限(幾毫安或者幾十毫安)時(shí)，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線(xiàn)如圖2所示。


圖2. 使用CCCV充電器對Li+電池充電時(shí)的典型曲線(xiàn)

　　從圖1所示的USB電壓跌落指標可以看出，端口供電集線(xiàn)器的下游低功率端口電壓不具備足夠的余量，很難將電池充至4.2V。充電通路上存在的小量額外電阻會(huì )妨礙正常充電。

　　Li+和Li-Poly電池應在合適的溫度下進(jìn)行充電。制造商推薦的最高充電溫度通常為+45°C至+55°C之間，允許的最 大放電溫度可再高出10°C左右。這些電池使用的材料，化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，如果電池溫度超過(guò)+70°C，會(huì )發(fā)生燃燒。鋰電池充電器應具備 熱關(guān)斷電路，該電路監視電池溫度，如果電池溫度超過(guò)制造商推薦的最大充電溫度時(shí)，則終止充電。

鎳氫電池(NiMH)

　　NiMH電池比鋰電池要重一些，其能量密度也比鋰電池低。一直以來(lái)，NiMH電池比鋰電池要便宜，但是最近二者的價(jià)格差在縮小。NiMH電池具有標準尺寸，在大多數應用中可直接替換堿性電池。每節電池的標稱(chēng)電壓為1.2V，充滿(mǎn)后會(huì )達到1.5V。

　　通常采用恒流源對NiMH電池充電。當達到充滿(mǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì )發(fā)生放熱化學(xué)反應，并導致電池溫度上升，電池端電壓降低?？蓹z測電池溫度上升速率或者 負向電壓變化率，并用來(lái)終止充電。這些充電終止方法分別稱(chēng)為dT/dt和-ΔV。充電速率非常低時(shí)，dT/dt和-ΔV不太明 顯，很難精確檢測到。電池開(kāi)始進(jìn)入過(guò)充狀態(tài)時(shí)，dT/dt和-ΔV響應開(kāi)始顯現。此時(shí)如果繼續充電，將損壞電池。

　　終止檢測在充電速率大于C/3時(shí)要比低充電速率時(shí)容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鐘，-ΔV響應也比低充電速率時(shí) 更明顯?？斐浣Y束后，建議以更小的電流再充一段時(shí)間，以徹底充足電池(補足充電)。補足充電階段結束后，采用C/20或者C/30的涓充電流來(lái)補償自放電 效應，使電池維持在充滿(mǎn)狀態(tài)。圖3所示為采用DS2712 NiMH充電器對NiMH電池(事先已充了一部分電)進(jìn)行充電的電池電壓曲線(xiàn)。在該圖中，上面一條曲線(xiàn)的數據在充電電流正在灌入電池時(shí)獲得，下面那條曲線(xiàn) 的數據在切斷電流時(shí)測得。在DS2712中，該電壓差被用來(lái)區分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，則DS2712不會(huì )對它進(jìn)行充電。


圖3. 采用DS2712充電控制器對NiMH電池充電。