USB供電的充電電路圖及原理介紹

除直接供電USB器件外，USB更有用的一個(gè)功能是用USB電源進(jìn)行電池充電。由于很多便攜裝置(如MP3播放機，PDA)與PC交換信息，所以，電池充電和數據交換同時(shí)在一條纜線(xiàn)上進(jìn)行將會(huì )使裝置方便性大大增強。把USB和電池供電功能結合起來(lái)，擴大了“非受限”裝置(如移動(dòng)web相機連接PC或不連接PC工作)的工作范圍。在很多情況下，不必攜帶不方便的AC適配器。

從USB對電池充電可以復雜也可以簡(jiǎn)單，這取決于USB設備要求。對設計有影響的因素通常是“成本”、“大小”和“重量”。其它重要的考慮包括：1)當設備插入到USB端口時(shí)，帶放電電池的設備能夠以多快的速度進(jìn)入完全工作狀態(tài)；2)所允許的電池充電時(shí)間；3)受USB限制的電源預算；4)包含AC適配器充電的必要性。本文從電源觀(guān)點(diǎn)詳述USB之后，將針對這些問(wèn)題給出解決方案。

圖1 USB電壓降(來(lái)自通用串行總線(xiàn)規定Rev2.0)

圖2 USB器件插孔

圖3 從USB簡(jiǎn)單充電100mA和從AC適配器充電350mA不需要枚舉，這是因為USB充電電流不超過(guò)“一個(gè)單元負載”(100mA)。3.3V系統負載總是從電池汲取電流。

USB電源

所有主機USB設備(如PC和筆記本電腦)至少可以供出500mA電流或每個(gè)USB插口提供5個(gè)“單元負載”。在USB述語(yǔ)中，“一個(gè)單元負載”是100mA。自供電USB插孔也可以提供5個(gè)單元負載?？偩€(xiàn)供電USB插孔保證提供一個(gè)單元負載(100mA)。根據USB規范和圖1的說(shuō)明，在纜線(xiàn)外設端，來(lái)自USB主機或供電插孔的最小有效電壓是4.5V，而來(lái)自USB總線(xiàn)供電插孔的最小電壓是4.35V。這些電壓在為鋰離子電池充電時(shí)(一般需要4.2V)，其余量是很小的。

插入USB端口的所有設備開(kāi)始汲取的電流不得大于100mA。在與主機通信后，器件可決定它是否可以占用整個(gè)500mA。

USB外設包含兩個(gè)插孔中的一個(gè)。兩個(gè)插孔都比PC和其他USB主機中的插口要小?！癝eriesB"和更小的“Series Mini-B”插孔示于圖2。從SeriesB的引腳1(+5V)和4(地)和Series Mini-B的引腳1(+5V)和5(地)得到電源。

一旦連接，所有USB設備需要主機對其加以識別。這稱(chēng)之為“枚舉”。在識別過(guò)程中，主機決定USB設備的電源以及是否為其供電，對于被認可的設備可以將負載電流從100mA增大到500mA。

簡(jiǎn)單的USB/AC適配器充電電路

某些非?；镜脑O備不希望額外的軟件開(kāi)銷(xiāo)，此開(kāi)銷(xiāo)對有效USB電源的分類(lèi)和最佳使用是需要的。若設備負載電流限制到100mA(在USB中稱(chēng)之為“一單元負載”)，則任何USB主機、自供電插孔可以對設備供電。對于這樣的設計，一個(gè)非?；镜某潆娖骱头€壓器電路示于圖3。

每當器件連接USB或插入AC適配器時(shí)，此電路就為電池充電。在同一時(shí)間，系統負載總是連接到電池，在這樣的情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器(U2)可提供高達200mA電流。若系統連續地汲取這樣的電流量而電池正在以100mA電流從USB充電，則電池仍將放電，這是由于負載電流超過(guò)了充電電流。在大多數的小系統中，峰值負載只發(fā)生在總工作時(shí)間的一小部分時(shí)間內，所以只需要平均負載電流小于充電電流，電池仍將充電。當連接AC適配器時(shí)，充電器(U1)最大電流增加到350mA。若在同一時(shí)間連接USB和AC適配器，則AC適配器自動(dòng)處于優(yōu)先供電的地位。

U1的一個(gè)特性是USB規范所要求的(也是一般充電器的法則)，即決不允許電流從電池或其他電源輸入回饋到電源輸入。在一般充電器中，用輸入二級管可保證做到，但最小的USB電壓(4.35V)和所需的鋰離子電池電壓(4.2V)之間的差值很小，甚至用肖特基二極管也是不合適的?；诖嗽?，在U1 IC中斷開(kāi)全部反向電流通路。

圖3的電路有一些局限性，使它不適于一些可充電的USB設備。最明顯的局限性是其相當低的充電電流，使得對大于幾百毫安一小時(shí)的鋰離子電池充電耗費時(shí)間很長(cháng)。第二個(gè)局限是負載(線(xiàn)性穩壓器輸入)總連接到電池。在這種情況下，系統不能夠在插入后立即工作，這是因為電池深度放電，在電池達到一個(gè)足夠的電壓使系統工作之前有一段延遲時(shí)間。

負載切換和增強型電路

在更先進(jìn)的系統中，充電器或圍繞充電器需要一些增強性能。這包括可選擇的充電電流以適應不同電源或電池的供電能力，插入電源時(shí)的負載切換以及過(guò)壓保護。圖4所示電路增加了這些功能，它是借助于充電器IC電壓檢測器驅動(dòng)的外部MOSFET實(shí)現的。

MOSFET Q1和Q2以及二極管D1和D2旁路電池，直接連接有效(USB或AC適配器)電源輸入與負載。當電源輸入有效時(shí)，DC輸入具有優(yōu)先地位；U1防止在同一時(shí)間兩個(gè)輸入都有效。二極管D1和D2防止通過(guò)“系統負載”電源通路產(chǎn)生的輸入之間的反向電流，而充電器具有內置電路排除通過(guò)充電通路(在BATT)的反向電流。

MOSFET也提供AC適配器過(guò)壓保護(高達18V)。欠/過(guò)壓監控器使AC適配器電壓只在4V和6.25V之間。

MOSEFT Q3在不存在有效外部電源時(shí)導通，使電池連接到負載。當USB或DC電源連接時(shí)，PON(電源開(kāi)關(guān))輸出立即斷開(kāi)Q3，使電池與負載斷開(kāi)。系統在加外部電源時(shí)能立即工作，既使電池深度放電或損壞也能立即工作。

當連接USB時(shí)，USB器件與主機通信決定負載電流是否可以增加。若主機允許，負載開(kāi)始在一個(gè)單元負載并增加到5個(gè)單元負載。５到1個(gè)單元負載的電流范圍對于一般充電器(不是設計用于USB)來(lái)說(shuō)存在一個(gè)問(wèn)題。一般充電器的精度，盡管可滿(mǎn)足高電流要求，但通常在低電流設置方面不能滿(mǎn)足要求，這是由于電流檢測電路的偏差造成的。其結果是小范圍充電電流(1個(gè)單元負載)必須設置得足夠低，以保證不會(huì )超過(guò)100mA限制。例如，對于500mA的10%精度而言，輸出必須設置為450mA，以保證它不會(huì )超過(guò)500mA。這僅僅是可接受的；然而，為了保證低充電電流不超過(guò)100mA ,其額定電流必須設置為50mA，而最小值可能是0mA,這顯然是不可接受的。若USB充電在兩個(gè)范圍都有效，則需要有足夠的精度，使得最大可能的充電電流不超過(guò)USB限值。

在某些設計中，系統電源要求用小于500mA USB預算分別供電負載和充電電池是做不到的，但用AC適配器就不成問(wèn)題。圖5所示電路(圖4的簡(jiǎn)化子系統)是一個(gè)經(jīng)濟的連接方法。USB電源不直接接到負載。充電和系統工作仍然發(fā)生在USB電源，但系統保持與電池的連接，其限制和圖3一樣：在連接USB時(shí)，若電池深度放電，則系統可以在工作前有一段延遲。若連接DC電源，則圖5工作狀態(tài)與圖4相同，無(wú)等待時(shí)間，與電池狀態(tài)無(wú)關(guān)，這是因為Q2截止，通過(guò)D1系統負載從電池轉到DC輸入。