如何設計符合中國行業(yè)標準的手機充電器接口

　　中國曾于06年12月14日頒布了新的行業(yè)標準YD/T1591－2006，即移動(dòng)通信終端設備的充電器和接口技術(shù)要求及測試方法。

　　制定這樣一個(gè)標準的目的是因為手機更新?lián)Q代和消費者更換手機的頻率越來(lái)越快，而不同手機充電器技術(shù)指標和接口不同，無(wú)法互換使用，消費者更換手機后造成舊充電器閑置浪費，不僅增加了消費者使用手機的成本，還會(huì )造成環(huán)境污染。通過(guò)制定手機充電器統一的接口標準，使得不同品牌、不同型號的手機可以共用充電器，消費者在購買(mǎi)新手機時(shí)仍可使用舊充電器，從而降低手機的使用成本。

1. YD/T1591-2006標準的新要求

　　從交流適配器到手機之間的連線(xiàn)傳統上是交流適配器的一部分，如圖1所示。

　　新的行業(yè)標準在第四節“技術(shù)要求”中明確要求使用一段獨立的連接線(xiàn)纜，一端是工業(yè)標準的USB A型插頭，用來(lái)和交流適配器標準的USB A型插座連接。而用來(lái)連接手機的線(xiàn)纜另一端則由手機廠(chǎng)商自行設計。如圖2所示。

　　由于連接線(xiàn)纜的一端為工業(yè)標準的USB A型插頭，手機消費者可以根據自己的意愿來(lái)為他們的手機選擇符合新行業(yè)標準的交流適配器，諾基亞的手機用戶(hù)可以選配摩托羅拉或三星的交流適配器，反之亦然。交流適配器可以?xún)H作為選配件銷(xiāo)售，這樣用戶(hù)再次購買(mǎi)新手機時(shí)就可以不用選購新的交流適配器了。

圖1

圖2 USB連接線(xiàn)纜示意圖

　　統一交流適配器標準之后，手機用戶(hù)的一個(gè)新選擇是當交流適配器不在身邊而手機需要充電時(shí)，可以直接將連接線(xiàn)纜的USB插頭一端插入PC機的USB端口，利用PC機來(lái)為手機充電。但由于USB2.0規范中對利用USB端口對外供電有與新行業(yè)標準不同的要求，為了區分PC機的USB端口和交流適配器，新行業(yè)標準中規定交流適配器USB插座中兩個(gè)數據引腳D+和D-必須在適配器內部短接，如圖3所示。

圖3

對于交流適配器的其它要求還包括:

• 額定輸入電壓范圍: 100 ~240VAC±10%, 50/60Hz
• 額定輸出電壓: 5VDC±5%
• 額定輸出電流: 300mA ~ 1800mA
• 輸出電壓與電流的關(guān)系如圖4所示：

圖4 輸出電流與輸出電壓的關(guān)系

對于手機的要求如下:

• 輸入電壓范圍: 5VDC±5%
• 最大消耗電流: 1800mA
• 輸入電壓高于6VDC時(shí)啟動(dòng)過(guò)壓保護

2. USB2.0規范中對USB供電的要求

　　由于存在利用PC機USB端口給手機充電的可能性和發(fā)展趨勢，我們還需要了解USB2.0規范(參見(jiàn) http://www.usb.org/developers/docs/ )中針對USB供電還有哪些要求。

　　在USB2.0規范第7.2節中將手機這類(lèi)通過(guò)USB主機端口Vbus引腳取電的設備統稱(chēng)為總線(xiàn)供電設備。未經(jīng)主機軟件允許，所有的總線(xiàn)供電設備從USB端口吸取的電流都不能超過(guò)100mA (在USB2.0規范中，100mA被定義為一個(gè)“單元負載”)，如果總線(xiàn)供電設備希望從USB端口吸取更多的電流，則需同USB主機進(jìn)行軟件協(xié)商，如果主機有能力提供更多的電流，會(huì )通知總線(xiàn)供電設備將其吸取的電流提高到大于100mA，但最大不能超過(guò)500mA。該過(guò)程也是在USB2.0規范第9.1.2節中定義的“總線(xiàn)枚舉”的一部分。

　　另一個(gè)有別于交流適配器的地方是加在USB收發(fā)器D+和D-引腳上的上拉和下拉電阻。在USB主機側，D+和D-分別被14.75kΩ至24.8kΩ的電阻下拉至地。在USB從機側，D+和D-上的1.5kΩ上拉電阻位置用來(lái)表示從機支持的數據速率，D+被上拉代表全速USB，而D-被上拉則代表低速USB，如圖5所示：

圖5 全速和低速器件電纜和電阻連接

3. 目前手機中的電源通道管理方案

　　針對新的行業(yè)標準對手機的要求，業(yè)內手機廠(chǎng)商分別開(kāi)發(fā)了不同手機電源通道管理方案。這通常需要兩個(gè)步驟，第一步是當手機的USB端口Vbus引腳上出現一個(gè)5V電壓時(shí)，準確區分接入的是交流適配器還是PC機的USB端口，在得出結論前，禁止從Vbus取電。為了判斷是交流適配器還是PC機的USB端口，一些廠(chǎng)商通過(guò)基帶芯片組內置的ADC來(lái)檢測D+和D-的電壓，進(jìn)而判斷USB的D+和D-引腳是否短路，還有一些廠(chǎng)商則首先啟動(dòng)一次USB握手通信，如果通信失敗，則認為對端是交流適配器。

　　第二步是決定最大從Vbus引腳吸取多少電流。如果線(xiàn)纜的另一端是USB端口，為了避免與USB2.0規范產(chǎn)生沖突，有些廠(chǎng)商將手機吸取的最大電流嚴格限制在100mA以?xún)?，以符合USB2.0規范7.2.1.3節中對低功耗總線(xiàn)供電設備的要求。但也有一部分廠(chǎng)商想當然的認為PC機的USB端口肯定能夠提供500mA電流，并沒(méi)有按照USB2.0規范7.2.1.4節中要求的那樣分步提高吸取電流，而是在USB枚舉之前就將最大吸取電流設為500mA。如果線(xiàn)纜一端是交流適配器，則最大電流限制通常會(huì )保證鋰電池芯片的最大充電速率。

　　以上這些方案的缺點(diǎn)是，當手機連接電纜的另一端連接到PC機USB端口時(shí)，

• 如果總是將最大吸取電流設為100mA，電池的充電時(shí)間會(huì )被延長(cháng)數倍。如果手機仍在工作并持續消耗電流，電池有可能一直都不會(huì )被充滿(mǎn)。
• 如果一開(kāi)始就將最大吸取電流設為500mA，實(shí)驗中曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一些PC機USB端口被燒毀的情況 。

4. 兼容行業(yè)標準“YD/T 1591-2006”和USB2.0的手機電源通道管理IC

　　Maxim的MAX8606是一個(gè)全功能的手機電源通道管理芯片，集成了單節鋰電池充電功能和電源通道選擇功能，既兼容于行業(yè)標準“YD/T1591-2006”又兼容于USB2.0規范。

　　MAX8606原理圖如圖6所示，Vbus的電流限制可以簡(jiǎn)單的通過(guò)兩個(gè)GPIO來(lái)設置，電流限制分為三檔，包括符合USB2.0規范的100mA和500mA，另一個(gè)通過(guò)外部電阻(RSETI)編程設定，以適應不同的交流適配器。

圖6 MAX8606原理圖

　　MAX8606還可以將從Vbus吸取的電流在系統供電和電池充電之間動(dòng)態(tài)分配，并優(yōu)先保證系統供電，如果交流適配器或PC機USB端口的電流輸出能力有限而不能同時(shí)保證系統供電和電池快速充電，或系統功耗突然增加，則電池快充電流被自動(dòng)降低以保證系統正常供電。另外，MAX8606的系統輸出端被限制在4.2V以下，符合鋰電池額定輸出電壓范圍。

一個(gè)兼容行業(yè)標準“YD/T 1591-2006”和USB2.0規范的手機開(kāi)機上電過(guò)程如下所述：

• 手機開(kāi)機上電前，通過(guò)兩個(gè)缺省輸出為低電平的GPIO將MAX8606設為100mA的限流模式以滿(mǎn)足USB2.0低功耗總線(xiàn)供電設備的需求。
• 當MAX8606 POK輸出低電平，代表從Vbus接入有效的電源后，手機啟動(dòng)USB D+/D-的短路檢測。為了防止電池低電壓或沒(méi)有安裝電池，RF功能和顯示功能此時(shí)盡量不要啟動(dòng)以避免系統功耗超過(guò)100mA的缺省電流限制。
• 手機基帶電路可以通過(guò)測量USB D+和D-的電壓或簡(jiǎn)單的啟動(dòng)一次USB通信來(lái)檢測連接Vbus的另一側是交流適配器還是PC機的USB端口。
• 如果另一側是交流適配器，MAX8606被設為電阻編程的限流模式。如果另一側是USB端口，則需啟動(dòng)一次USB枚舉過(guò)程來(lái)向主機請求使用最大不超過(guò)500mA(在USB2.0規范中被定義為5個(gè)單位負載)的電流，被允許后MAX8606即可被設為500mA限流模式。

作者：韓澤

現場(chǎng)應用工程師

美信集成產(chǎn)品公司