消費(fèi)者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來(lái)越少，并期望獲得通過(guò)計(jì)算機(jī)或 AC 插座充電的靈活性，因此要求幾乎所有目前和未來(lái)推出的手持設(shè)備都能通過(guò) USB 電源和 AC 墻上適配器充電。USB 要求給電池充電帶來(lái)了許多挑戰(zhàn)。使用同一條線纜的要求以及由此而來(lái)的 USB 和 AC 適配器單輸入都意味著系統(tǒng)必須能夠識(shí)別并使用兩種電源。本文中，我們以 bq2407x 系列器件為例來(lái)介紹簡(jiǎn)化便攜式應(yīng)用鋰離子 (Li-Ion) 電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些特性和規(guī)范。具體而言，我們將討論輸入電流極限、靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理 (VIN-DPM) 以及中國(guó)充電器規(guī)范的影響。這些特性簡(jiǎn)化了便攜式應(yīng)用的充電器設(shè)計(jì)。

輸入電流極限

最公認(rèn)的 USB 規(guī)范是 USB 設(shè)備的電流消耗。USB 電源分為低功率和高功率電源。低功率電源被定義為非自供電 USB 集線器。這些設(shè)備使用來(lái)自 USB 電源的 500mA 電流，且必須在所有連接至集線器的設(shè)備之間共用電流。低功率電源可提供 4.4V 的最低工作電壓，其電流極限設(shè)定在一個(gè)單位負(fù)載，即 USB1.x 和 2.0 下的 100mA。就超高速 (SuperSpeed) USB 而言，單位負(fù)載被增加到了 150mA。高功率電源是一些自供電的集線器或者計(jì)算機(jī) USB 端口，其可提供最小工作電壓為 4.75V，擁有高達(dá) 5 個(gè)單位負(fù)載的電流，即 USB1.x 和 2.0 下每個(gè)端口 500mA，或者超高速 USB 下 6 個(gè)單位負(fù)載 (900mA)。所有設(shè)備默認(rèn)均為低功率模式，但在枚舉主機(jī)時(shí)會(huì)要求高功率模式。除高功率和低功率端口以外，許多設(shè)備均通過(guò)使用相同連接器的 AC 適配器來(lái)運(yùn)行。這些電源可提供高達(dá) 1.5A 的電流（USB 線纜傳輸能力）。設(shè)備不能使用 2.5mA 以上的電流時(shí)，最終模式為掛起模式。USB 設(shè)備必須支持所有這四種模式，以達(dá)到 USB 規(guī)范。

充電設(shè)備的輸入電流極限不能超出 USB 規(guī)范。這就是說(shuō)您必須在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到技術(shù)說(shuō)明規(guī)范以驗(yàn)證在所有工藝差異和溫度下均能夠保證電流極限不超出 USB 極限。圖 1 是 bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的一部分，其清楚地標(biāo)明了輸入電流極限規(guī)范。請(qǐng)注意，規(guī)范的最大數(shù)值為 USB 極限。這樣就可以確保溫度、工藝和輸入電壓下的所有 bq2407x 器件都在 USB 規(guī)范以內(nèi)。最大 USB 規(guī)范極限列出的典型值是不允許的，因?yàn)橐恍┎考?huì)超出這一值。如果最大數(shù)值大于 USB 規(guī)范，則存在違反 USB 規(guī)范的可能性。

圖 1 bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的輸入電流極限節(jié)選

主機(jī)要求系統(tǒng)進(jìn)入 USB 掛起模式時(shí)，規(guī)范極限為 2.5mA。驅(qū)動(dòng) EN1 和 EN2 為高電平使得 bq2407x 進(jìn)入 USB 掛起模式。這種模式下，靜態(tài)電流減少至 50μA（最大）。如果其他電路由 VBUS 電源供電運(yùn)行，則這會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)較大的裕量。就待機(jī)模式電流規(guī)范而言，其通常出現(xiàn)在電氣特性表的靜態(tài)電流部分。圖 2 顯示了 bq2407x 的靜態(tài)電流。請(qǐng)注意，在 USB 掛起模式 (EN1=EN2=HI) 下，最大靜態(tài)電流為 50μA (VBUS = 6V)，其大大低于 USB 掛起模式的 2.5mA 要求。

圖 2、bq2407x 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的靜態(tài)電流部分節(jié)選

USB 啟動(dòng)問(wèn)題

USB 2.0 規(guī)范規(guī)定“并聯(lián)一個(gè)單位負(fù)載時(shí) (100mA)，線纜下行端允許的最大負(fù)載 (CRPB) 為 10μF。10μF 電容代表一個(gè) VBUS 線之間直接連接的旁路電容器，加上通過(guò)設(shè)備調(diào)節(jié)器的所有可見(jiàn)電容效應(yīng)。” [1]。要對(duì)此進(jìn)行測(cè)試，USB-IF 測(cè)試程序文檔 1.3 版描述為“USB 規(guī)范允許高達(dá) 10uF 硬啟動(dòng)，其可形成 50.0uC 的最大浪涌電流值。” [2] 50μC 由公式 1 計(jì)算得到：

我們如何將其變?yōu)殡娏鳂O限呢？安培單位為庫(kù)侖每秒。這就是說(shuō)在啟動(dòng)期間，電流極限以上的最大浪涌電流乘以電流極限以上的時(shí)間，所得結(jié)果必須小于 50μC。如公式 2 所示：

請(qǐng)注意，IIN_AVG 代表浪涌電流期間的平均輸入電流。充電器設(shè)備的輸入電流極限必須防止來(lái)自 USB 電源的電流超出 50μC。圖 3 顯示了在 100mA 模式下 bq2407x 的啟動(dòng)情況。請(qǐng)注意，高亮區(qū)域代表允許的過(guò)沖充電區(qū)域。bq2407x 的輸入電容要求為 1μF。這超出了符合輸入電容規(guī)定的程度。輸入電流極限讓設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心系統(tǒng)的電容值，因?yàn)?USB 電源絕不會(huì)出現(xiàn)這種電流。

圖 3 輸入電流啟動(dòng)波形，EN1 = EN2 = GND, VBAT VWEAKBATT