USB電池充電規(guī)范1.2版概述及適配器仿真器的重要性

　　引言

　　無論您身處何處，環(huán)顧四周時，很可能會看到有人正在使用便攜式設備。無論是在家里、車上還是插入到計算機，USB供電的便攜設備均需要采用智能方法確定正常工作以及充電所需的合適功率。由于便攜設備種類繁多、USB端口千差萬別以及可充電電池的特性復雜，2010年頒布的USB電池充電規(guī)范1.2版 （簡稱為BC1.2） 成為建立通過USB端口為電池充電的正確方式的關(guān)鍵標準。但是，即使有了BC1.2規(guī)范，有些便攜設備制造商仍然采用專有的充電器，使得USB電池充電領(lǐng)域更為復雜。

　　本文討論USB電池充電最新行業(yè)標準的推動力及其定義的技術(shù)規(guī)范，也給出了實現(xiàn)對各種專有便攜充電設備進行大電流充電的USB端口的簡單策略。

　　電池充電標準的迫切性——BC1.2規(guī)范頒布之前

　　USB得到廣泛普及是因為其能夠為外圍設備供電。USB孕育于上世紀90年代中期，最初的目的是將外部設備（例如鍵盤、鼠標、打印機、外置驅(qū)動器等）連接至計算機。隨著越來越多的各種便攜式設備受到青睞，也同樣需要為其供電。利用數(shù)據(jù)傳輸連接器供電的能力使得USB在便攜式市場具有直接而顯著的優(yōu)勢。

　　在2007年第一個電池充電規(guī)范頒布之前，嘗試為電池充電本質(zhì)上是一種冒險——結(jié)果非常難以預測。當2000年出現(xiàn)USB 2.0時，外設默認吸收100mA電流，除非明確協(xié)商將電流增大至最高500mA。如果總線上經(jīng)過一段延遲后沒有數(shù)據(jù)活動，總線將進入“掛起”模式，將允許吸收電流限制到2.5mA。如果便攜設備的電池完全耗盡，嘗試利用標準端口進行充電時，則只能可靠吸收2.5mA電流！

　　實際上，許多電子設備制造商并不嚴格遵守USB 2.0規(guī)范，在其提供的USB端口中不采用這些電流限值。有些（大多數(shù)）USB端口無論枚舉還是持續(xù)活動都允許100mA電流；有些端口甚至提供500mA電流，而不考慮必要的功率協(xié)商。有些便攜設備的應用要求超過100mA的電流，并錯誤假設USB端口總是能夠提供500mA電流。

　　好的充電方案必須知道如何通知便攜設備從USB端口吸收多少電流是安全的。雖然合乎邏輯，但之前模棱兩可的USB“事態(tài)”存在一個主要問題——如果吸收電流超過預期，USB端口將如何響應？有些端口將完全關(guān)斷，并一直保持關(guān)斷狀態(tài)，直到外設拔出后再重新插入；有些端口將觸發(fā)USB系統(tǒng)復位，重新啟動枚舉過程。

　　BC1.2規(guī)范的推出

　　電池充電并不是USB的原始特性，因此，在BC1.2頒布之前，官方并未就為關(guān)斷設備的電池充電做出任何規(guī)定。通過建立清晰的USB端口供電能力溝通方法，BC1.2規(guī)范改進了其中許多問題。

　　無論可充電電池使用的材料如何，均需在工作和充電期間予以特別考慮。例如，Li+電池制造商有時候規(guī)定最低放電水平；超過該門限的深度放電電池需要首先在預處理模式下進行充電，然后再開始完全充電。電池達到標稱條件后，即可采用較高電流，以縮短充電時間，這通常稱為恒流模式。當電池幾乎充滿時，繼續(xù)采用恒流模式可能有害。智能充電方案將切換至恒壓模式，對電池進行“浮充”。由于電池的特性復雜，為實現(xiàn)可靠充電，必須采用定制，現(xiàn)在大多數(shù)便攜設備在最終產(chǎn)品中包括專用的電池充電控制器。

　　BC1.2規(guī)范的一項附加優(yōu)勢是規(guī)定了對耗盡電池或弱電池的充電。低于“弱電池門限”的電池允許采用高于2.5mA掛起電流的電流進行充電，與端口類型無關(guān)。一旦電池達到標稱水平，要求設備在特定的時間內(nèi)進行枚舉，以便保持從要求枚舉的USB端口吸收較高的電流。

　　并非所有端口都完全相同

　　BC1.2規(guī)范簡要規(guī)定了三種不同類型的USB端口和兩種關(guān)鍵對象。“充電”端口是可提供500mA以上電流的端口；“下行”端口按照USB 2.0規(guī)范傳輸數(shù)據(jù)。BC1.2規(guī)范也確定了每個端口應如何向終端設備枚舉，以及識別應用端口類型的協(xié)議。三種USB BC1.2端口類型為SDP、DCP和CDP （見圖1）：

　　1. 標準下行端口（SDP）。這種端口的D+和D-線上具有15kΩ下拉電阻。限流值如上討論：掛起時為2.5mA，連接時為100mA，連接并配置為較高功率時為500mA。

　　2. 專用充電端口（DCP）。這種端口不支持任何數(shù)據(jù)傳輸，但能夠提供1.5A以上的電流。端口的D+和D-線之間短路。這種類型的端口支持較高充電能力的墻上充電器和車載充電器，無需枚舉。

　　3. 充電下行端口（CDP）。這種端口既支持大電流充電，也支持完全兼容USB 2.0的數(shù)據(jù)傳輸。端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉電阻，也具有充電器檢測階段切換的內(nèi)部電路。內(nèi)部電路允許便攜設備將CDP與其它類型端口區(qū)分開來。

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　　圖1. USB BC 1.2規(guī)定的端口類型。

　　非常幸運，DCP在電氣上實現(xiàn)模擬非常簡單。D+和D-短路在一起（BC1.2規(guī)范規(guī)定兩者之間的最大阻抗為200Ω），線路相對于地保持浮空。便攜設備識別DCP時只需利用信號驅(qū)動D+或D-，然后在另一根線上檢測相同信號。實際上，BC1.2規(guī)范的端口識別程序就是這么做的。假設便攜設備在D+上設定一個電壓并測量D-，然后在D-上設定一個電壓并測量D+。有了這么簡單的設置，就很容易設計帶有USB連接器的墻上充電器。設計者只需將連接器上的兩個引腳短路，然后將其添加到能夠提供2A、5V電源的現(xiàn)有墻上充電器。真是這樣嗎？不盡然。

　　即使有BC1.2規(guī)范可循，有些電子設備制造商仍然為其專用充電器開發(fā)定制協(xié)議。當您將這樣的設備連接至完全符合BC1.2規(guī)范的充電端口時，可能仍然會產(chǎn)生報錯消息：“Charging is not supported with this accessory.”（不支持該附件充電）。盡管出現(xiàn)該報錯消息，此類設備實際可能仍然進行充電，但充電電流極其小。幸運的是，幾乎所有此類專有充電器利用5V和地之間的電阻分壓器設定D+和D-線上的直流電平，從而識別本身（圖2）。

　　圖2. 不同制造商的專用充電端口。

　　又非常幸運的是，有一種智能、低成本方案可對這些制造商的設備以及符合BC1.2規(guī)范的設備進行最佳充電。

　　端口檢測是必需的

　　USB充電器適配器仿真器

　　USB充電器適配器仿真器是一種使專用充電器表現(xiàn)為BC1.2 DCP或其他專有充電器的器件。充電器適配器仿真器為墻上充電器提供動態(tài)元件，無需增加分立的控制單元，即可檢測所連設備的類型。許多充電器適配器仿真器可利用硬件配置，選擇不同的充電器識別特性；其它仿真器具有自動檢測電路，檢測所連接便攜設備的類型，可在制造商的特定分壓器和BC1.2 DCP模式之前進行切換。

　　為了方便、有效地集成至墻上充電器，USB充電器適配器仿真器的尺寸必須很小，外部元件數(shù)量必須很少。例如，MAX14630/MAX14632充電器適配器仿真器可配置為自動檢測USB BC1.2兼容設備、Apple 1.0A設備、2.1A設備或Samsung? Galaxy Tablet 2A設備。其中每種USB適配器仿真器只需一個旁路電容，采用2.90mm x 1.60mm封裝。圖3所示的電路是兼容Apple 1A和USB BC1.2兼容設備的單個專用充電器的快速實現(xiàn)。該適配器模擬器默認將電阻分壓器連接至數(shù)據(jù)線，但能夠按照BC1.2自動檢測USB BC1.2設備并將D+和D-短路在一起。配合交流轉(zhuǎn)直流5V電源使用時，利用適配器仿真器協(xié)商正確的限流值，能夠?qū)Ω鞣N便攜設備進行最佳充電。

　　圖3. 自動檢測USB BC1.2/Apple 1A設備的DCP示例。該設計采用MAX14630/MAX14632 USB充電器適配器仿真器。

　　專用充電器相對簡單；充電下行端口支持USB 2.0數(shù)據(jù)率以及處理高達1.5A充電電流，增加了復雜度。為了有別于專用充電器，CDP具有BC1.2規(guī)范規(guī)定的內(nèi)部電路；在端口檢測階段，當檢測到便攜設備驅(qū)動D+時，內(nèi)部電路能夠?qū)-驅(qū)動為規(guī)定電壓。內(nèi)部電路只能在端口檢測期間切換，并且在關(guān)斷時只能在總線上產(chǎn)生規(guī)定大小的寄生電容。這些限值由USB 2.0規(guī)范規(guī)定，該規(guī)范規(guī)定保證高速USB通信的電路參數(shù)。

　　端口檢測階段之后，兼容BC1.2規(guī)范的CDP斷開以上所述的內(nèi)部電路，即可進行正常的USB數(shù)據(jù)傳輸。有趣的是，有一個問題是CDP中存在而DCP中所沒有的：數(shù)字噪聲裕量。根據(jù)USB 2.0規(guī)范，USB電纜中的100mA接地電流會在主機地和設備地之間產(chǎn)生25mV的電壓差。由于電流可高達1.5A，所以CDP及兼容BC1.2規(guī)范的便攜設備必須能夠解析設備與主機地失調(diào)最大達375mV的數(shù)據(jù)。這些關(guān)鍵問題的重點是設計者不能隨意搭建CDP，必須謹慎確保正常工作。

　　USB主機適配器仿真器

　　USB主機適配器仿真器組合了高速USB模擬開關(guān)（能處理高達480Mbps的USB 2.0數(shù)據(jù)）和USB充電器適配器仿真器電路。除DCP和專有充電器特性外，主機適配器仿真器可配置為SDP和CDP直通模式，符合BC1.2規(guī)范規(guī)定。CDP直通模式下，首次連接設備時，設備模擬CDP功能。然后，為了支持正常的USB 2.0通信，經(jīng)過充電器檢測階段后，將D+和D-線的控制交給USB主機收發(fā)器。

此類設備的可配置性使得主機適配器仿真器尤其適合于計算機。例如，當計算機連接至電源時，可通過將主機適配器仿真器配置為CDP，使能高電流USB充電端口。當使用筆記本電腦的電池電源工作時，計算機可將適配器仿真器切換至標準USB端口配置，將電流吸收限制到最大500mA。通過將適配器仿真器重新配置為專用充電器，當筆記本關(guān)閉但仍連接有電源