USB電池充電電路

2004年5月A版

　　USB標(biāo)準(zhǔn)其中一個(gè)特性是從主機(jī)為插入的USB外設(shè)供電。從過去的串行和并行端口變化到USB，這種進(jìn)步可使連接到PC的各種器件數(shù)大大增加。

　　除直接供電USB器件外，USB更有用的一個(gè)功能是用USB電源進(jìn)行電池充電。由于很多便攜裝置(如MP3播放機(jī)，PDA)與PC交換信息，所以，電池充電和數(shù)據(jù)交換同時(shí)在一條纜線上進(jìn)行將會(huì)使裝置方便性大大增強(qiáng)。把USB和電池供電功能結(jié)合起來，擴(kuò)大了“非受限”裝置(如移動(dòng)web相機(jī)連接PC或不連接PC工作)的工作范圍。在很多情況下，不必?cái)y帶不方便的AC適配器。

　　從USB對電池充電可以復(fù)雜也可以簡單，這取決于USB設(shè)備要求。對設(shè)計(jì)有影響的因素通常是“成本”、“大小”和“重量”。其它重要的考慮包括：1)當(dāng)設(shè)備插入到USB端口時(shí)，帶放電電池的設(shè)備能夠以多快的速度進(jìn)入完全工作狀態(tài)；2)所允許的電池充電時(shí)間；3)受USB限制的電源預(yù)算；4)包含AC適配器充電的必要性。本文從電源觀點(diǎn)詳述USB之后，將針對這些問題給出解決方案。

USB電源

　　所有主機(jī)USB設(shè)備(如PC和筆記本電腦)至少可以供出500mA電流或每個(gè)USB插口提供5個(gè)“單元負(fù)載”。在USB述語中，“一個(gè)單元負(fù)載”是100mA。自供電USB插孔也可以提供5個(gè)單元負(fù)載?？偩€供電USB插孔保證提供一個(gè)單元負(fù)載(100mA)。根據(jù)USB規(guī)范和圖1的說明，在纜線外設(shè)端，來自USB主機(jī)或供電插孔的最小有效電壓是4.5V，而來自USB總線供電插孔的最小電壓是4.35V。這些電壓在為鋰離子電池充電時(shí)(一般需要4.2V)，其余量是很小的。

　　插入U(xiǎn)SB端口的所有設(shè)備開始汲取的電流不得大于100mA。在與主機(jī)通信后，器件可決定它是否可以占用整個(gè)500mA。

　　USB外設(shè)包含兩個(gè)插孔中的一個(gè)。兩個(gè)插孔都比PC和其他USB主機(jī)中的插口要小?！癝eriesB"和更小的“Series Mini-B”插孔示于圖2。從SeriesB的引腳1(+5V)和4(地)和Series Mini-B的引腳1(+5V)和5(地)得到電源。

　　一旦連接，所有USB設(shè)備需要主機(jī)對其加以識別。這稱之為“枚舉”。在識別過程中，主機(jī)決定USB設(shè)備的電源以及是否為其供電，對于被認(rèn)可的設(shè)備可以將負(fù)載電流從100mA增大到500mA。

簡單的USB/AC適配器充電電路

　　某些非?；镜脑O(shè)備不希望額外的軟件開銷，此開銷對有效USB電源的分類和最佳使用是需要的。若設(shè)備負(fù)載電流限制到100mA(在USB中稱之為“一單元負(fù)載”)，則任何USB主機(jī)、自供電插孔可以對設(shè)備供電。對于這樣的設(shè)計(jì)，一個(gè)非?；镜某潆娖骱头€(wěn)壓器電路示于圖3。

　　每當(dāng)器件連接USB或插入AC適配器時(shí)，此電路就為電池充電。在同一時(shí)間，系統(tǒng)負(fù)載總是連接到電池，在這樣的情況下，通過簡單的線性穩(wěn)壓器(U2)可提供高達(dá)200mA電流。若系統(tǒng)連續(xù)地汲取這樣的電流量而電池正在以100mA電流從USB充電，則電池仍將放電，這是由于負(fù)載電流超過了充電電流。在大多數(shù)的小系統(tǒng)中，峰值負(fù)載只發(fā)生在總工作時(shí)間的一小部分時(shí)間內(nèi)，所以只需要平均負(fù)載電流小于充電電流，電池仍將充電。當(dāng)連接AC適配器時(shí)，充電器(U1)最大電流增加到350mA。若在同一時(shí)間連接USB和AC適配器，則AC適配器自動(dòng)處于優(yōu)先供電的地位。

　　U1的一個(gè)特性是USB規(guī)范所要求的(也是一般充電器的法則)，即決不允許電流從電池或其他電源輸入回饋到電源輸入。在一般充電器中，用輸入二級管可保證做到，但最小的USB電壓(4.35V)和所需的鋰離子電池電壓(4.2V)之間的差值很小，甚至用肖特基二極管也是不合適的?；诖嗽?，在U1 IC中斷開全部反向電流通路。

　　圖3的電路有一些局限性，使它不適于一些可充電的USB設(shè)備。最明顯的局限性是其相當(dāng)?shù)偷某潆婋娏?，使得對大于幾百毫安一小時(shí)的鋰離子電池充電耗費(fèi)時(shí)間很長。第二個(gè)局限是負(fù)載(線性穩(wěn)壓器輸入)總連接到電池。在這種情況下，系統(tǒng)不能夠在插入后立即工作，這是因?yàn)殡姵厣疃确烹?，在電池達(dá)到一個(gè)足夠的電壓使系統(tǒng)工作之前有一段延遲時(shí)間。

負(fù)載切換和增強(qiáng)型電路

　　在更先進(jìn)的系統(tǒng)中，充電器或圍繞充電器需要一些增強(qiáng)性能。這包括可選擇的充電電流以適應(yīng)不同電源或電池的供電能力，插入電源時(shí)的負(fù)載切換以及過壓保護(hù)。圖4所示電路增加了這些功能，它是借助于充電器IC電壓檢測器驅(qū)動(dòng)的外部MOSFET實(shí)現(xiàn)的。

　　MOSFET Q1和Q2以及二極管D1和D2旁路電池，直接連接有效(USB或AC適配器)電源輸入與負(fù)載。當(dāng)電源輸入有效時(shí)，DC輸入具有優(yōu)先地位；U1防止在同一時(shí)間兩個(gè)輸入都有效。二極管D1和D2防止通過“系統(tǒng)負(fù)載”電源通路產(chǎn)生的輸入之間的反向電流，而充電器具有內(nèi)置電路排除通過充電通路(在BATT)的反向電流。

　　MOSFET也提供AC適配器過壓保護(hù)(高達(dá)18V)。欠/過壓監(jiān)控器使AC適配器電壓只在4V和6.25V之間。

　　MOSEFT Q3在不存在有效外部電源時(shí)導(dǎo)通，使電池連接到負(fù)載。當(dāng)USB或DC電源連接時(shí)，PON(電源開關(guān))輸出立即斷開Q3，使電池與負(fù)載斷開。系統(tǒng)在加外部電源時(shí)能立即工作，既使電池深度放電或損壞也能立即工作。

　　當(dāng)連接USB時(shí)，USB器件與主機(jī)通信決定負(fù)載電流是否可以增加。若主機(jī)允許，負(fù)載開始在一個(gè)單元負(fù)載并增加到5個(gè)單元負(fù)載。５到1個(gè)單元負(fù)載的電流范圍對于一般充電器(不是設(shè)計(jì)用于USB)來說存在一個(gè)問題。一般充電器的精度，盡管可滿足高電流要求，但通常在低電流設(shè)置方面不能滿足要求，這是由于電流檢測電路的偏差造成的。其結(jié)果是小范圍充電電流(1個(gè)單元負(fù)載)必須設(shè)置得足夠低，以保證不會(huì)超過100mA限制。例如，對于500mA的10%精度而言，輸出必須設(shè)置為450mA，以保證它不會(huì)超過500mA。這僅僅是可接受的；然而，為了保證低充電電流不超過100mA ,其額定電流必須設(shè)置為50mA，而最小值可能是0mA,這顯然是不可接受的。若USB充電在兩個(gè)范圍都有效，則需要有足夠的精度，使得最大可能的充電電流不超過USB限值。

　　在某些設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)電源要求用小于500mA USB預(yù)算分別供電負(fù)載和充電電池是做不到的，但用AC適配器就不成問題。圖5所示電路(圖4的簡化子系統(tǒng))是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的連接方法。USB電源不直接接到負(fù)載。充電和系統(tǒng)工作仍然發(fā)生在USB電源，但系統(tǒng)保持與電池的連接，其限制和圖3一樣：在連接USB時(shí)，若電池深度放電，則系統(tǒng)可以在工作前有一段延遲。若連接DC電源，則圖5工作狀態(tài)與圖4相同，無等待時(shí)間，與電池狀態(tài)無關(guān)，這是因?yàn)镼2截止，通過D1系統(tǒng)負(fù)載從電池轉(zhuǎn)到DC輸入。

鎳氫電池充電電路

　　盡管鋰離子電池能為大多數(shù)便攜裝置提供最好的性能，但NiMH(鎳氫)電池仍然是低成本設(shè)計(jì)的可行選擇。在負(fù)載要求不是太嚴(yán)格時(shí)，保持低成本的一個(gè)好方法是用NiMH電池。這需要一個(gè)DC-DC變換器升壓，一般從1.3V電池電壓提升到器件可用的電壓(一般為3.3V)。由于任何電池供電器件需要穩(wěn)壓器，所以，DC-DC變換器僅僅是一個(gè)不同的穩(wěn)壓器。

　　圖6所示電路，用獨(dú)特的方法為NiMH電池充電，并且不用外部FET在USB輸入和電池之間切換系統(tǒng)負(fù)載。“充電器”實(shí)際上是一個(gè)工作在電流限制下的DC-DC升壓變換器(U1)。以300和400 mA之間的電流為電池充電。盡管沒有精密的電流源，但它具有適當(dāng)?shù)碾娏骺刂疲踔猎陔姵囟搪窌r(shí)也能夠保持電流控制。DC-DC充電拓?fù)湎鄬τ谝话憔€性方案的最大優(yōu)勢是能有效地利用有限的USB電源資源。在以400mA電流NiMH電池充電時(shí)，電路從USB輸入僅汲取150mA。而充電時(shí)剩余350mA用于系統(tǒng)。

　　二極管D1實(shí)現(xiàn)從電池到USB的負(fù)載拉出。不連接USB時(shí)，升壓變換器產(chǎn)生3.3V輸出。連接USB時(shí)，D1上拉DC-DC升壓變換器(U2)輸出到4.7V左右。當(dāng)U2輸出上拉時(shí)，它自動(dòng)關(guān)閉而從電池汲取的電流小于1mA。在USB連接時(shí)，若對于輸出從3.3V變換到4.7V不能接受,則可以加入一個(gè)與D1串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器。

　　此電路的限制是依靠系統(tǒng)來控制充電結(jié)束。U1僅僅做為一個(gè)電流源，若長期不管它，它將會(huì)過充電電池。R1和R2置U1的最大輸出電壓為2V，做為安全限值。“Charge Enable”(“充電使能”)輸入起到系統(tǒng)結(jié)束充電作用以及枚舉前降低USB負(fù)載電流的作用，這是由于充電器的150mA輸入電流大于一個(gè)負(fù)載。