如何“正確地”用USB為電池充電

摘要：隨著USB埠已經(jīng)無(wú)所不在，將它做為通用充電埠的概念也逐漸被市場(chǎng)所接受。然而，要達(dá)到真正的通用性，是一件知易行難的工作。本文將說(shuō)明設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)備受期待、且無(wú)所不在的USB充電埠時(shí)常遭遇到的挑戰(zhàn)。

　　為什么充電時(shí)間這么長(zhǎng)？

　　所謂提供“快速”充電，究竟代表什么意義？它取決于你對(duì)“快速”的定義──而且通常都?xì)w結(jié)于消費(fèi)者的期望。常聽(tīng)到的例子是，“我在家為我的手機(jī)、MP3播放器或其他裝置充電時(shí)，只要幾個(gè)小時(shí)；但在公司，用我的筆電、螢?zāi)缓托碌霓D(zhuǎn)接器，卻得花上一整天的時(shí)間充電！”

　　所以，我們得從任何一臺(tái)裝置都會(huì)配備的“原廠”充電器開(kāi)始討論，因?yàn)槌潆婓w驗(yàn)是消費(fèi)者滿(mǎn)意度的最基本要求。

　　每臺(tái)裝置所配備的墻式原廠充電器通常會(huì)在資料接腳上放一個(gè)識(shí)別標(biāo)記，讓裝置知道可以安全地充入更多電流。在某些情況下，如果碰到無(wú)法辨識(shí)的主機(jī)，它就不會(huì)讓裝置進(jìn)行充電。此標(biāo)記通常是以特定電壓的形式放在D+、D-或兩個(gè)接腳上。

　　圖1所示為采用此方法的墻式充電器的常見(jiàn)架構(gòu)，它采取的配置方式是可以讓制造商銷(xiāo)售更多配件的。沒(méi)錯(cuò)，對(duì)任何一款可攜式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，銷(xiāo)售專(zhuān)用配件絕對(duì)是其業(yè)務(wù)計(jì)劃的一部分。消費(fèi)者買(mǎi)了需要充電的產(chǎn)品以後，約有一半的比例會(huì)多買(mǎi)一個(gè)充電器。理由很簡(jiǎn)單，我們不喜歡隨身攜帶充電器，所以會(huì)在每個(gè)常停留的地方像辦公室或車(chē)內(nèi)放一個(gè)充電器。

　　圖1：墻式充電器的常見(jiàn)架構(gòu)

　　什么是“正確的”充電電流？

　　這里先做一個(gè)提示：答案可能會(huì)有三個(gè)。

　　在分析USB充電之前，你首先需要一個(gè)能用來(lái)量測(cè)Vbus電流的系統(tǒng)，并量測(cè)D+和D-接腳上的電壓。這可透過(guò)建置能將周邊和主機(jī)都插上的電路板，并將其D+、D-和Vbus線路露出來(lái)以進(jìn)行分析。

　　現(xiàn)在通過(guò)一個(gè)經(jīng)由轉(zhuǎn)接板（interposer）連接的設(shè)備來(lái)評(píng)估充電電流。讓我們假設(shè)，我們都很聰明地知道原廠充電器施加在D+和D-上的電壓，同時(shí)重新建立一個(gè)獨(dú)立的充電電路來(lái)證實(shí)我們的猜測(cè)。然後，我們施以正確的電壓，就與原廠充電器施加在D+和D-上的電壓相同，但是充電電流與我們先前的結(jié)果并不一樣。

　　現(xiàn)在，讓我們來(lái)檢查功率 ─ 并不是看裝置是否插好電，而是看功率級(jí)別。

　　電池的功率級(jí)別在充電中扮演了重要角色。我們?cè)S多從事手機(jī)設(shè)計(jì)的人都知道，完全放電的鋰離子電池在真正開(kāi)始充電前，需要先慢慢地進(jìn)行細(xì)流（trickle）充電。

　　此情況當(dāng)然也會(huì)讓你搞不清楚到底有沒(méi)有取得最佳的充電電流。插到USB埠的周邊裝置在充飽電之前，可能會(huì)有好幾個(gè)不同的充電點(diǎn)。通常，它會(huì)有一個(gè)低充電模式，以供剛才提到細(xì)流充電之用。它也可能對(duì)何時(shí)該對(duì)電池正常充電有不同的充電狀態(tài)。最後，它可能會(huì)有一個(gè)電池充飽的充電狀態(tài)。

　　因此，你需要觀察當(dāng)電池沒(méi)電、充電到一半，以及充飽電池等不同期間，充電電流各會(huì)是多少。聽(tīng)起來(lái)很耗時(shí)間？那當(dāng)然──但這是完全了解充電特性的必要之惡。

　　充電與資料傳輸有可能兼具嗎？

　　現(xiàn)在我們比較了解消費(fèi)者的充電器配置，以及如何觀察它的充電電流。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)（諸如PC、螢?zāi)缓蛿U(kuò)充基座），你會(huì)希望能夠快速充電，并具備同時(shí)傳輸資料的能力。

　　在這方面，市場(chǎng)上仍有許多疑慮，認(rèn)為可能性不高。理由是基于許多原廠充電器會(huì)在USB埠的D+和D-接腳上施加電壓的這個(gè)事實(shí)。由于USB的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊是以USB 1.1 3.3V和USB 2.0 400mV為基礎(chǔ)，由于需要將不同的電壓施加在這些線路上，所以不可能同時(shí)進(jìn)行通訊與列舉（enumeration）。

　　但這個(gè)規(guī)則有一些例外。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)你第一次將裝置插入U(xiǎn)SB埠時(shí)，裝置會(huì)要求你下載特定裝置的軟體到主機(jī)上。有些手機(jī)為了同步作業(yè)，便會(huì)有此要求，因此有助于在通訊時(shí)，同時(shí)以較高的電流進(jìn)行充電。因此，對(duì)于裝置的通訊和充電，裝置可透過(guò)特定的軟體驅(qū)動(dòng)程式來(lái)設(shè)定限制。

　　但USB充電并非完全不可行，事實(shí)上，業(yè)界正在努力推動(dòng)這項(xiàng)工作。USB-IF電池充電規(guī)范 1.2修訂版（BC 1.2）已經(jīng)制訂完成，以因應(yīng)數(shù)據(jù)與充電并行的這項(xiàng)挑戰(zhàn)。

　　BC 1.2是專(zhuān)為統(tǒng)一USB 2.0充電特性的未來(lái)應(yīng)用所制訂。它的想法是希望透過(guò)一套通用的USB充電規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少垃圾掩埋場(chǎng)中堆積如山的手機(jī)充電器?；趶U棄物減量的考量，歐盟已經(jīng)是此規(guī)范的早期采用者。特別是，它承諾將在能傳輸數(shù)據(jù)的行動(dòng)電話中采用相同的Micro-USB接頭。但是，歐盟尚未完全采用BC 1.2規(guī)范。

　　BC 1.2規(guī)范中包括充電下行埠（CDP）模式，可允許數(shù)據(jù)傳輸和較高的充電電流。舉例來(lái)說(shuō)，如果，主機(jī)或集線器上的D+感測(cè)到0.4V至0.8V的電壓，那們D-就會(huì)以0.5V至0.7V回應(yīng)。

　　更多有關(guān)調(diào)配時(shí)序的細(xì)節(jié)都可在規(guī)范中找到。一旦CDP建立好了，周邊裝置最高能取得1.5A的電流，并同時(shí)傳輸資料。采用這項(xiàng)技術(shù)的裝置，包括手機(jī)在內(nèi)，都將會(huì)在今年內(nèi)問(wèn)世。

　　USB埠已滲入我們的生活，以作為電源供應(yīng)之用，但我們必須采取明智策略，才能善加運(yùn)用這項(xiàng)功能。

　　希望本文關(guān)于USB充電的基本介紹能幫助你朝正確的方向發(fā)展，從而不要重蹈他人的覆轍。