USB端口對NiMH電池智能充電
概述
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/105636.htm通用串行總線(USB)端口是一種帶有電源和地的雙向數(shù)據(jù)端口。USB可以連接所有類型的外圍設(shè)備,包括外部驅(qū)動器、存儲設(shè)備、鍵盤、鼠標(biāo)、無線接口、攝像機(jī)和照相機(jī)、mp3播放器以及數(shù)不盡的各種電子設(shè)備。這些設(shè)備有許多采用電池供電,其中一些帶有內(nèi)置電池。對于電池充電設(shè)計(jì)來說,應(yīng)用廣泛的USB既帶來了機(jī)遇,也帶來了挑戰(zhàn)。本文闡述了如何將一個簡單的電池充電器與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題。同時介紹了鎳氫電池(NiMH)和鋰電池技術(shù)、充電方法以及充電終止技術(shù)。給出了一個完整的示例電路,用于實(shí)現(xiàn)USB端口對NiMH電池智能充電,并給出了充電數(shù)據(jù)。
USB特性
USB總線能夠?yàn)榈凸碾娮釉O(shè)備提供電源??偩€電源與電網(wǎng)隔離,并且具有很好的穩(wěn)定性。但是,可用電流有限,同時負(fù)載和主機(jī)或電源之間存在潛在的互操作問題。
USB端口由90Ω雙向差分屏蔽雙絞線、VBUS (+5V電源)和地組成。這4條線由鋁箔內(nèi)屏蔽層和編織網(wǎng)外屏蔽層進(jìn)行屏蔽。最新的USB規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是2.0版,可以從USB組織免費(fèi)獲得。要做到完全符合該規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),需要通過一個功能控制器來實(shí)現(xiàn)設(shè)備和主機(jī)間的雙向通信。規(guī)范定義了1個單位負(fù)載為100mA (最大)。任何設(shè)備允許吸取的最大電流為5個單位負(fù)載。
USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類,低功率端口可提供1個單位負(fù)載的電流,大功率端口可最多提供5個單位負(fù)載的電流。當(dāng)設(shè)備剛連接到USB端口時,枚舉過程對器件進(jìn)行識別,并確定其負(fù)載要求。在此過程中,只允許設(shè)備從主機(jī)吸取最多1個單位負(fù)載的電流。枚舉過程完成后,如果主機(jī)的電源管理軟件允許,則大功率設(shè)備可以吸取更大的電流。
某些主機(jī)系統(tǒng)(包括下游USB集線器)通過保險絲或者有源電流檢測器提供限流功能。如果USB設(shè)備未經(jīng)過枚舉過程便從USB端口吸取大電流(超過1個單位負(fù)載),則主機(jī)會檢測到過流狀態(tài),并會關(guān)閉正在使用的一個或多個USB端口。市場上供應(yīng)的許多USB設(shè)備,包括獨(dú)立電池充電器,都沒有功能控制器來處理枚舉過程,但吸取的電流卻超過了100mA。在這種不恰當(dāng)?shù)臈l件下,這些設(shè)備可能導(dǎo)致主機(jī)出現(xiàn)問題。例如,如果一個吸取500mA電流的設(shè)備插入總線供電的USB集線器,而且未進(jìn)行正確的枚舉過程,則可能導(dǎo)致集線器端口和主機(jī)端口同時過載。
主機(jī)操作系統(tǒng)采用高級電源管理時情況會更加復(fù)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(jié)電模式下,計(jì)算機(jī)會向USB設(shè)備發(fā)出掛起命令,而后則認(rèn)為設(shè)備進(jìn)入了低功耗模式。設(shè)備中包含一個能與主機(jī)進(jìn)行通信的功能控制器始終是一個比較好的做法,即使對于低功耗設(shè)備來說也是如此。
USB 2.0規(guī)范非常全面,規(guī)定了電源的質(zhì)量、連接器構(gòu)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(biāo)。這主要是由主機(jī)和負(fù)載間的連接器和電纜上的電壓跌落決定的,并包括由USB供電的集線器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計(jì)算機(jī)或者自供電USB集線器在內(nèi)的主機(jī),都具有大電流端口,可提供最大500mA的電流。無源、總線供電的USB集線器具有低電流端口。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。
這些指標(biāo)適用于上游端主機(jī)或集線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(guī)范的主機(jī)中,大功率端口的上游端具有120µF、低ESR電容。所連接的USB設(shè)備的輸入電容限制在10µF以內(nèi),在最初的負(fù)載連接階段,允許負(fù)載從主機(jī)(或自供電集線器)吸取的最大電荷數(shù)為50µC。這樣一來,當(dāng)新設(shè)備連接至USB端口時,上游端口的瞬態(tài)電壓跌落小于0.5V。如果負(fù)載正常工作時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電流不會超過100mA。
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