通過USB總線為電池充電

　　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備，包括外部驅(qū)動器、存儲設備、鍵盤、鼠標、無線接口、攝像機和照相機、MP3播放器以及數(shù)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(nèi)置電池。對于電池充電設計來說，應用廣泛的USB既帶來了機遇，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、充電方法以及充電終止技術。給出了一個完整的示例電路，用于實現(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

　　無處不在的USB總線能夠為所有類型的低功耗電子設備提供電源?？偩€電源與電網(wǎng)隔離，并且具有很好的穩(wěn)定性。但是，可用電流是受限的，同時負載和主機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)外屏蔽層進行屏蔽。最新的USB規(guī)范標準是2.0版，可以從USB組織 (www.USB.org) 免費獲得。要做到完全符合該規(guī)范標準，需要通過一個功能控制器來實現(xiàn)設備和主機間的雙向通信。規(guī)范定義了1個單位負載為100mA (最大)。任何設備允許吸取的最大電流為5個單位負載。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個單位負載的電流，大功率端口可最多提供5個單位負載的電流。當設備剛連接到USB端口時，枚舉過程對器件進行識別，并確定其負載要求。在此過程中，只允許設備從主機吸取最多1個單位負載的電流。枚舉過程完成后，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(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個單位負載)，則主機會檢測到過流狀態(tài)，并會關閉正在使用的一個或多個USB端口。市場上供應的許多USB設備，包括獨立電池充電器，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?shù)臈l件下，這些設備可能導致主機出現(xiàn)問題。例如，如果一個吸取500mA電流的設備插入總線供電的USB集線器，而且未進行正確的枚舉過程，則可能導致集線器端口和主機端口同時過載。主機操作系統(tǒng)采用高級電源管理時情況會更加復雜，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(jié)電模式下，計算機會向USB設備發(fā)出掛起命令，而后則認為設備進入了低功耗模式。設備中包含一個能與主機進行通信的功能控制器始終是一個比較好的做法，即使對于低功耗設備來說也是如此。

　　USB2.0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。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供電的集線器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計算機或者自供電USB集線器在內(nèi)的主機，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。 

表1. USB 2.0規(guī)范電源質(zhì)量標準

　　*這些指標適用于上游端主機或集線器端口的連接器引腳。電纜和連接器上的IxR跌落需另外考慮。

　　在符合USB2.0規(guī)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以內(nèi)，在最初的負載連接階段，允許負載從主機 (或自供電集線器) 吸取的最大電荷數(shù)為50μC。這樣一來，當新設備連接至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。當USB端口帶有一個總線供電的USB集線器，集線器上接了低功耗設備時，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負載與總線供電的集線器連接時，電壓跌落將超過圖1給出的指標，并會引起總線過載。

電池充電要求

單節(jié)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電池來說，首選的充電曲線是從恒流充電開始，一直持續(xù)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行調(diào)節(jié)。這兩種調(diào)節(jié)方式構(gòu)成了恒流 (CC) 恒壓 (CV) 充電方式。因此，這種類型的充電器通常稱為CCCV充電器。

　　從圖1所示的USB電壓跌落指標可以看出，端口供電集線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妨礙正常充電。

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，會引起總線過載

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，NiMH電池比鋰電池要便宜，但是最近二者的價格差在縮小。NiMH電池具有標準尺寸，在大多數(shù)應用中可直接替換堿性電池。每節(jié)電池的標稱電壓為1.2V，充滿后會達到1.5V。通常采用恒流源對NiMH電池充電。當達到充滿狀態(tài)時，會發(fā)生放熱化學反應，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，并用來終止充電。

電路實例

　　圖2所示電路是用于單節(jié)NiMH電池充電的開關模式降壓型調(diào)節(jié)器。它采用DS2712充電控制器調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過+45ºC或者低于0ºC，控制器不會對電池充電。如圖2所示，Q1是降壓型充電器的開關功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續(xù)流或整流二極管。輸入電容C1為10μF、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會使充電器的性能降低。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過CSOUT提供閉環(huán)、開關模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時，使能Q1的柵極驅(qū)動。Q1和Q2均為低Vt (柵-源門限電壓) 的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構(gòu)成了Q1的柵極開關電壓。
CC1為低電平時，啟動電流閉環(huán)控制。圖3所示為啟動開關時的波形。上方波形是0.125檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開始時，當Q1打開 (CC1和CSOUT均為低電平) 時，電感電流向上爬升。當電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達到0.125V時，CSOUT變?yōu)楦唠娖?，開關關斷。此后，電感電流開始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達到約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖健Ｖ灰狢C1為低電平，該過程將一直持續(xù)。

　　DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機控制著CC1的工作。充電開始時，DS2712先對電池進行狀態(tài)測試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認溫度在0ºC至+45ºC之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過1.0V后，狀態(tài)機轉(zhuǎn)為快充模式?？斐鋾r占空比為31/32，即大約97％?！疤^”的間隙內(nèi)進行電池阻抗測試，以確保不會對錯誤放入充電器的高阻抗電池（例如堿性電池）進行充電。檢測到-2mV的-ΔV后，快充結(jié)束。如果未檢測到-ΔV，將持續(xù)快充，直到快充定時器超時，或檢測到過溫或者過壓故障狀態(tài) (包括阻抗不合格) 為止。快充完成 (由于-∆V或快充定時器超時) 后，DS2712進入定時補足充電模式，占空比為12.5%，持續(xù)時間為所設快充定時的一半。補足充電完成后，充電器進入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。

圖2  USB端口對單節(jié)NiMH電池快速充電的原理圖

　　采用圖2所示充電器和大功率USB端口對2100mAh NiMH電池充電時，快充時間為2小時多一點，大約3個小時完成包括補足充電在內(nèi)的全部充電過程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機進行枚舉過程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯(lián)一個開漏極nMOSFET。如果MOSFET關斷，則TMR浮空，DS2712進入掛起狀態(tài)。

 
圖3  USB NiMH充電器的啟動波形

結(jié)語

　　對于小型消費類電子設備的電池充電而言，USB端口是一個經(jīng)濟、實用的電源。為完全符合USB 2.0規(guī)范，連接在USB端口上的負載必須能夠與主機進行雙向通信。負載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機確定何時需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統(tǒng)能夠適應大部分USB主機，但有時會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。只有很好地理解USB規(guī)范要求和負載的期望，才能在對于規(guī)范的兼容性與負載復雜度之間取得較好的平衡。