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(shí)，很可能會(huì)看到有人正在使用便攜式設(shè)備。無論是在家里、車上還是插入到計(jì)算機(jī)，USB供電的便攜設(shè)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(shè)備種類繁多、USB端口千差萬別以及可充電電池的特性復(fù)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(biāo)準(zhǔn)。但是，即使有了BC1.2規(guī)范，有些便攜設(shè)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(fù)雜。

　　本文討論USB電池充電最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)力及其定義的技術(shù)規(guī)范，也給出了實(shí)現(xiàn)對各種專有便攜充電設(shè)備進(jìn)行大電流充電的USB端口的簡單策略。

　　電池充電標(biāo)準(zhǔn)的迫切性——BC1.2規(guī)范頒布之前

　　USB得到廣泛普及是因?yàn)槠淠軌驗(yàn)橥鈬O(shè)備供電。USB孕育于上世紀(jì)90年代中期，最初的目的是將外部設(shè)備（例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、外置驅(qū)動(dòng)器等）連接至計(jì)算機(jī)。隨著越來越多的各種便攜式設(shè)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(gè)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(xiǎn)——結(jié)果非常難以預(yù)測。當(dāng)2000年出現(xiàn)USB 2.0時(shí)，外設(shè)默認(rèn)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(dòng)，總線將進(jìn)入“掛起”模式，將允許吸收電流限制到2.5mA。如果便攜設(shè)備的電池完全耗盡，嘗試?yán)脴?biāo)準(zhǔn)端口進(jìn)行充電時(shí)，則只能可靠吸收2.5mA電流！

　　實(shí)際上，許多電子設(shè)備制造商并不嚴(yán)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(dòng)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(shè)備的應(yīng)用要求超過100mA的電流，并錯(cuò)誤假設(shè)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(shè)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(gè)主要問題——如果吸收電流超過預(yù)期，USB端口將如何響應(yīng)？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(shè)拔出后再重新插入；有些端口將觸發(fā)USB系統(tǒng)復(fù)位，重新啟動(dòng)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(shè)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(jìn)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(shí)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(yù)處理模式下進(jìn)行充電，然后再開始完全充電。電池達(dá)到標(biāo)稱條件后，即可采用較高電流，以縮短充電時(shí)間，這通常稱為恒流模式。當(dāng)電池幾乎充滿時(shí)，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(jìn)行“浮充”。由于電池的特性復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)可靠充電，必須采用定制，現(xiàn)在大多數(shù)便攜設(shè)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(xiàng)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(jìn)行充電，與端口類型無關(guān)。一旦電池達(dá)到標(biāo)稱水平，要求設(shè)備在特定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)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?！俺潆姟倍丝谑强商峁?00mA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(gè)端口應(yīng)如何向終端設(shè)備枚舉，以及識別應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)為2.5mA，連接時(shí)為100mA，連接并配置為較高功率時(shí)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(shè)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(yùn)，DCP在電氣上實(shí)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(shè)備識別DCP時(shí)只需利用信號驅(qū)動(dòng)D+或D-，然后在另一根線上檢測相同信號。實(shí)際上，BC1.2規(guī)范的端口識別程序就是這么做的。假設(shè)便攜設(shè)備在D+上設(shè)定一個(gè)電壓并測量D-，然后在D-上設(shè)定一個(gè)電壓并測量D+。有了這么簡單的設(shè)置，就很容易設(shè)計(jì)帶有USB連接器的墻上充電器。設(shè)計(jì)者只需將連接器上的兩個(gè)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(shè)備制造商仍然為其專用充電器開發(fā)定制協(xié)議。當(dāng)您將這樣的設(shè)備連接至完全符合BC1.2規(guī)范的充電端口時(shí)，可能仍然會(huì)產(chǎn)生報(bào)錯(cuò)消息：“Charging is not supported with this accessory.”（不支持該附件充電）。盡管出現(xiàn)該報(bào)錯(cuò)消息，此類設(shè)備實(shí)際可能仍然進(jìn)行充電，但充電電流極其小。幸運(yùn)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(shè)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(yùn)的是，有一種智能、低成本方案可對這些制造商的設(shè)備以及符合BC1.2規(guī)范的設(shè)備進(jìn)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(dòng)態(tài)元件，無需增加分立的控制單元，即可檢測所連設(shè)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(dòng)檢測電路，檢測所連接便攜設(shè)備的類型，可在制造商的特定分壓器和BC1.2 DCP模式之前進(jìn)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(dòng)檢測USB BC1.2兼容設(shè)備、Apple 1.0A設(shè)備、2.1A設(shè)備或Samsung? Galaxy Tablet 2A設(shè)備。其中每種USB適配器仿真器只需一個(gè)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(shè)備的單個(gè)專用充電器的快速實(shí)現(xiàn)。該適配器模擬器默認(rèn)將電阻分壓器連接至數(shù)據(jù)線，但能夠按照BC1.2自動(dòng)檢測USB BC1.2設(shè)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(shí)，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(shè)備進(jìn)行最佳充電。

　　圖3. 自動(dòng)檢測USB BC1.2/Apple 1A設(shè)備的DCP示例。該設(shè)計(jì)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(dá)1.5A充電電流，增加了復(fù)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(dāng)檢測到便攜設(shè)備驅(qū)動(dòng)D+時(shí)，內(nèi)部電路能夠?qū)-驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jìn)行正常的USB數(shù)據(jù)傳輸。有趣的是，有一個(gè)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(huì)在主機(jī)地和設(shè)備地之間產(chǎn)生25mV的電壓差。由于電流可高達(dá)1.5A，所以CDP及兼容BC1.2規(guī)范的便攜設(shè)備必須能夠解析設(shè)備與主機(jī)地失調(diào)最大達(dá)375mV的數(shù)據(jù)。這些關(guān)鍵問題的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)者不能隨意搭建CDP，必須謹(jǐn)慎確保正常工作。

　　USB主機(jī)適配器仿真器

　　USB主機(jī)適配器仿真器組合了高速USB模擬開關(guān)（能處理高達(dá)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(jī)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(shè)備時(shí)，設(shè)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(jī)收發(fā)器。

此類設(shè)備的可配置性使得主機(jī)適配器仿真器尤其適合于計(jì)算機(jī)。例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)連接至電源時(shí)，可通過將主機(jī)適配器仿真器配置為CDP，使能高電流USB充電端口。當(dāng)使用筆記本電腦的電池電源工作時(shí)，計(jì)算機(jī)可將適配器仿真器切換至標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)筆記本關(guān)閉但仍連接有電源