如何設(shè)計符合中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)充電器接口
中國曾于06年12月14日頒布了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1591-2006,即移動通信終端設(shè)備的充電器和接口技術(shù)要求及測試方法。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/258799.htm制定這樣一個標(biāo)準(zhǔn)的目的是因?yàn)槭謾C(jī)更新?lián)Q代和消費(fèi)者更換手機(jī)的頻率越來越快,而不同手機(jī)充電器技術(shù)指標(biāo)和接口不同,無法互換使用,消費(fèi)者更換手機(jī)后造成舊充電器閑置浪費(fèi),不僅增加了消費(fèi)者使用手機(jī)的成本,還會造成環(huán)境污染。通過制定手機(jī)充電器統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn),使得不同品牌、不同型號的手機(jī)可以共用充電器,消費(fèi)者在購買新手機(jī)時仍可使用舊充電器,從而降低手機(jī)的使用成本。
1. YD/T1591-2006標(biāo)準(zhǔn)的新要求
從交流適配器到手機(jī)之間的連線傳統(tǒng)上是交流適配器的一部分,如圖1所示。
新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在第四節(jié)“技術(shù)要求”中明確要求使用一段獨(dú)立的連接線纜,一端是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的USB A型插頭,用來和交流適配器標(biāo)準(zhǔn)的USB A型插座連接。而用來連接手機(jī)的線纜另一端則由手機(jī)廠商自行設(shè)計。如圖2所示。
由于連接線纜的一端為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的USB A型插頭,手機(jī)消費(fèi)者可以根據(jù)自己的意愿來為他們的手機(jī)選擇符合新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交流適配器,諾基亞的手機(jī)用戶可以選配摩托羅拉或三星的交流適配器,反之亦然。交流適配器可以僅作為選配件銷售,這樣用戶再次購買新手機(jī)時就可以不用選購新的交流適配器了。
圖1
圖2 USB連接線纜示意圖
統(tǒng)一交流適配器標(biāo)準(zhǔn)之后,手機(jī)用戶的一個新選擇是當(dāng)交流適配器不在身邊而手機(jī)需要充電時,可以直接將連接線纜的USB插頭一端插入PC機(jī)的USB端口,利用PC機(jī)來為手機(jī)充電。但由于USB2.0規(guī)范中對利用USB端口對外供電有與新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同的要求,為了區(qū)分PC機(jī)的USB端口和交流適配器,新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定交流適配器USB插座中兩個數(shù)據(jù)引腳D+和D-必須在適配器內(nèi)部短接,如圖3所示。
圖3
對于交流適配器的其它要求還包括:
- 額定輸入電壓范圍: 100 ~240VAC±10%, 50/60Hz
- 額定輸出電壓: 5VDC±5%
- 額定輸出電流: 300mA ~ 1800mA
- 輸出電壓與電流的關(guān)系如圖4所示:
圖4 輸出電流與輸出電壓的關(guān)系
對于手機(jī)的要求如下:
- 輸入電壓范圍: 5VDC±5%
- 最大消耗電流: 1800mA
- 輸入電壓高于6VDC時啟動過壓保護(hù)
2. USB2.0規(guī)范中對USB供電的要求
由于存在利用PC機(jī)USB端口給手機(jī)充電的可能性和發(fā)展趨勢,我們還需要了解USB2.0規(guī)范(參見 http://www.usb.org/developers/docs/ )中針對USB供電還有哪些要求。
在USB2.0規(guī)范第7.2節(jié)中將手機(jī)這類通過USB主機(jī)端口Vbus引腳取電的設(shè)備統(tǒng)稱為總線供電設(shè)備。未經(jīng)主機(jī)軟件允許,所有的總線供電設(shè)備從USB端口吸取的電流都不能超過100mA (在USB2.0規(guī)范中,100mA被定義為一個“單元負(fù)載”),如果總線供電設(shè)備希望從USB端口吸取更多的電流,則需同USB主機(jī)進(jìn)行軟件協(xié)商,如果主機(jī)有能力提供更多的電流,會通知總線供電設(shè)備將其吸取的電流提高到大于100mA,但最大不能超過500mA。該過程也是在USB2.0規(guī)范第9.1.2節(jié)中定義的“總線枚舉”的一部分。
另一個有別于交流適配器的地方是加在USB收發(fā)器D+和D-引腳上的上拉和下拉電阻。在USB主機(jī)側(cè),D+和D-分別被14.75kΩ至24.8kΩ的電阻下拉至地。在USB從機(jī)側(cè),D+和D-上的1.5kΩ上拉電阻位置用來表示從機(jī)支持的數(shù)據(jù)速率,D+被上拉代表全速USB,而D-被上拉則代表低速USB,如圖5所示:
圖5 全速和低速器件電纜和電阻連接
3. 目前手機(jī)中的電源通道管理方案
針對新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對手機(jī)的要求,業(yè)內(nèi)手機(jī)廠商分別開發(fā)了不同手機(jī)電源通道管理方案。這通常需要兩個步驟,第一步是當(dāng)手機(jī)的USB端口Vbus引腳上出現(xiàn)一個5V電壓時,準(zhǔn)確區(qū)分接入的是交流適配器還是PC機(jī)的USB端口,在得出結(jié)論前,禁止從Vbus取電。為了判斷是交流適配器還是PC機(jī)的USB端口,一些廠商通過基帶芯片組內(nèi)置的ADC來檢測D+和D-的電壓,進(jìn)而判斷USB的D+和D-引腳是否短路,還有一些廠商則首先啟動一次USB握手通信,如果通信失敗,則認(rèn)為對端是交流適配器。
第二步是決定最大從Vbus引腳吸取多少電流。如果線纜的另一端是USB端口,為了避免與USB2.0規(guī)范產(chǎn)生沖突,有些廠商將手機(jī)吸取的最大電流嚴(yán)格限制在100mA以內(nèi),以符合USB2.0規(guī)范7.2.1.3節(jié)中對低功耗總線供電設(shè)備的要求。但也有一部分廠商想當(dāng)然的認(rèn)為PC機(jī)的USB端口肯定能夠提供500mA電流,并沒有按照USB2.0規(guī)范7.2.1.4節(jié)中要求的那樣分步提高吸取電流,而是在USB枚舉之前就將最大吸取電流設(shè)為500mA。如果線纜一端是交流適配器,則最大電流限制通常會保證鋰電池芯片的最大充電速率。
以上這些方案的缺點(diǎn)是,當(dāng)手機(jī)連接電纜的另一端連接到PC機(jī)USB端口時,
- 如果總是將最大吸取電流設(shè)為100mA,電池的充電時間會被延長數(shù)倍。如果手機(jī)仍在工作并持續(xù)消耗電流,電池有可能一直都不會被充滿。
- 如果一開始就將最大吸取電流設(shè)為500mA,實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)發(fā)生過一些PC機(jī)USB端口被燒毀的情況 。
4. 兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YD/T 1591-2006”和USB2.0的手機(jī)電源通道管理IC
Maxim的MAX8606是一個全功能的手機(jī)電源通道管理芯片,集成了單節(jié)鋰電池充電功能和電源通道選擇功能,既兼容于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YD/T1591-2006”又兼容于USB2.0規(guī)范。
MAX8606原理圖如圖6所示,Vbus的電流限制可以簡單的通過兩個GPIO來設(shè)置,電流限制分為三檔,包括符合USB2.0規(guī)范的100mA和500mA,另一個通過外部電阻(RSETI)編程設(shè)定,以適應(yīng)不同的交流適配器。
圖6 MAX8606原理圖
MAX8606還可以將從Vbus吸取的電流在系統(tǒng)供電和電池充電之間動態(tài)分配,并優(yōu)先保證系統(tǒng)供電,如果交流適配器或PC機(jī)USB端口的電流輸出能力有限而不能同時保證系統(tǒng)供電和電池快速充電,或系統(tǒng)功耗突然增加,則電池快充電流被自動降低以保證系統(tǒng)正常供電。另外,MAX8606的系統(tǒng)輸出端被限制在4.2V以下,符合鋰電池額定輸出電壓范圍。
一個兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YD/T 1591-2006”和USB2.0規(guī)范的手機(jī)開機(jī)上電過程如下所述:
- 手機(jī)開機(jī)上電前,通過兩個缺省輸出為低電平的GPIO將MAX8606設(shè)為100mA的限流模式以滿足USB2.0低功耗總線供電設(shè)備的需求。
- 當(dāng)MAX8606 POK輸出低電平,代表從Vbus接入有效的電源后,手機(jī)啟動USB D+/D-的短路檢測。為了防止電池低電壓或沒有安裝電池,RF功能和顯示功能此時盡量不要啟動以避免系統(tǒng)功耗超過100mA的缺省電流限制。
- 手機(jī)基帶電路可以通過測量USB D+和D-的電壓或簡單的啟動一次USB通信來檢測連接Vbus的另一側(cè)是交流適配器還是PC機(jī)的USB端口。
- 如果另一側(cè)是交流適配器,MAX8606被設(shè)為電阻編程的限流模式。如果另一側(cè)是USB端口,則需啟動一次USB枚舉過程來向主機(jī)請求使用最大不超過500mA(在USB2.0規(guī)范中被定義為5個單位負(fù)載)的電流,被允許后MAX8606即可被設(shè)為500mA限流模式。
作者:韓澤
現(xiàn)場應(yīng)用工程師
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