電池充電新方法——USB

　　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)。

　　1 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。

表1. USB 2.0規(guī)范電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) Parameter Requirement

　　*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120?F、低ESR電容。所連接的USB設(shè)備的輸入電容限制在10?F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50?C。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。

　　當(dāng)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(shè)備時，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負(fù)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(biāo)，并會引起總線過載。

圖1. 主機(jī)至低功率負(fù)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。

　　2 電池充電要求

　　2.1 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(dāng)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(dá)到額定電壓。然后，充電器對電池兩端的電壓進(jìn)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。CCCV充電器進(jìn)入CV模式后，電池的充電電流開始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當(dāng)電池達(dá)到其充滿容量的80%至90%時，充電器由CC模式轉(zhuǎn)換為CV模式。充電器一旦進(jìn)入CV充電模式，則對電池電流進(jìn)行監(jiān)視；當(dāng)電流達(dá)到最低門限（幾毫安或者幾十毫安）時，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線如圖2所示。

圖2. 使用CCCV充電器對Li+電池充電時的典型曲線

　　從圖1所示的USB電壓跌落指標(biāo)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。

　　Li+和Li-Poly電池應(yīng)在合適的溫度下進(jìn)行充電。制造商推薦的最高充電溫度通常為+45°C至+55°C之間，允許的最大放電溫度可再高出10°C左右。這些電池使用的材料，化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡绻姵販囟瘸^+70°C，會發(fā)生燃燒。鋰電池充電器應(yīng)具備熱關(guān)斷電路，該電路監(jiān)視電池溫度，如果電池溫度超過制造商推薦的最大充電溫度時，則終止充電。

　　2.2 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(biāo)準(zhǔn)尺寸，在大多數(shù)應(yīng)用中可直接替換堿性電池。每節(jié)電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，充滿后會達(dá)到1.5V。

　　通常采用恒流源對NiMH電池充電。當(dāng)達(dá)到充滿狀態(tài)時，會發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，并導(dǎo)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(fù)向電壓變化率，并用來終止充電。這些充電終止方法分別稱為dT/dt和-ΔV。充電速率非常低時，dT/dt和-ΔV不太明顯，很難精確檢測到。電池開始進(jìn)入過充狀態(tài)時，dT/dt和-ΔV響應(yīng)開始顯現(xiàn)。此時如果繼續(xù)充電，將損壞電池。

　　終止檢測在充電速率大于C/3時要比低充電速率時容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鐘，-ΔV響應(yīng)也比低充電速率時更明顯。快充結(jié)束后，建議以更小的電流再充一段時間，以徹底充足電池（補(bǔ)足充電）。補(bǔ)足充電階段結(jié)束后，采用C/20或者C/30的涓充電流來補(bǔ)償自放電效應(yīng)，使電池維持在充滿狀態(tài)。圖3所示為采用DS2712 NiMH充電器對NiMH電池（事先已充了一部分電）進(jìn)行充電的電池電壓曲線。在該圖中，上面一條曲線的數(shù)據(jù)在充電電流正在灌入電池時獲得，下面那條曲線的數(shù)據(jù)在切斷電流時測得。在DS2712中，該電壓差被用來區(qū)分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，則DS2712不會對它進(jìn)行充電。

圖3. 采用DS2712充電控制器對NiMH電池充電

　　2.3 開關(guān)與線性

　　USB 2.0規(guī)范允許低功率端口提供最大100mA電流，大功率端口提供最大500mA電流。如果采用線性調(diào)整器件來調(diào)節(jié)電池充電電流，這也就是最大可提供的充電電流。線性調(diào)整器件（圖4）的功耗為P = VQ x IBATT。這會造成調(diào)整管發(fā)熱，可能需要安裝散熱器，以防止過熱。