滿足中國手機充電器標(biāo)準(zhǔn)的接口設(shè)計技巧

1、滿足中國手機充電器標(biāo)準(zhǔn)的接口設(shè)計技巧本文描述了最新 HYPERLINK /SEARCH/ART/%D6%D0%B9%FA%D0%D0%D2%B5%B1%EA%D7%BC.HTM 中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1591-2006和USB2.0規(guī)范中對手機鋰電池 HYPERLINK /SEARCH/ART/%B3%E4%B5%E7%C6%F7.HTM 充電器和接口的要求，介紹了如何使用Maxim的電源通道管理IC MAX8606來滿足YD/T1591-2006和USB2.0的要求。 中國曾于06年12月14日頒布了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T15912006，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。 制

2、定這樣一個標(biāo)準(zhǔn)的目的是因為手機更新?lián)Q代和消費者更換手機的頻率越來越快，而不同手機充電器技術(shù)指標(biāo)和接口不同，無法互換使用，消費者更換手機后造成舊充電器閑置浪費，不僅增加了消費者使用手機的成本，還會造成環(huán)境污染。通過制定手機充電器統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，使得不同品牌、不同型號的手機可以共用充電器，消費者在購買新手機時仍可使用舊充電器，從而降低手機的使用成本。 1. YD/T1591-2006標(biāo)準(zhǔn)的新要求 從交流 HYPERLINK /SEARCH/ART/%CA%CA%C5%E4%C6%F7.HTM 適配器到手機之間的連線傳統(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

3、使用一段獨立的連接線纜，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。而用來連接手機的線纜另一端則由手機廠商自行設(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，手機消費者可以根據(jù)自己的意愿來為他們的手機選擇符合新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交流適配器，諾基亞的手機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，手機用戶的一個新選擇是當(dāng)交流適配器不在身邊而手機需要充電時，可以直接將連接線纜的USB插頭一端插入PC機

4、的USB端口，利用PC機來為手機充電。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: i. 額定輸入電壓范圍: 100 240VAC10%, 50/60Hz ii. 額定輸出電壓: 5VDC5% iii. 額定輸出電流: 300mA 1800mA iv. 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 對于手機的要求如下: i. 輸入電壓范圍: 5VDC5% ii. 最大消耗電

5、流: 1800mA iii. 輸入電壓高于6VDC時啟動過壓保護 2. USB2.0規(guī)范中對USB供電的要求 由于存在利用PC機USB端口給手機充電的可能性和發(fā)展趨勢，我們還需要了解USB2.0規(guī)范(參見 http:/www. HYPERLINK /ART_8800458303_2400003_TA_645e28b1.HTM o 通過USB接口給電子設(shè)備供電 /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)中將手機這類通過USB主機端口Vbus引腳取電的設(shè)備統(tǒng)稱為總線供電設(shè)備。未經(jīng)主機軟件允許，所有的總線供電設(shè)備從USB端口吸取的

6、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主機進行軟件協(xié)商，如果主機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主機側(cè)，D+和D-分別被14.75k至24.8k的電阻下拉至地。在USB從機側(cè)，D+和D-上的1.5k上拉電阻位置用來表示從機支持的數(shù)據(jù)速率，D+被上拉代表全速U

7、SB，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. 目前手機中的電源通道管理方案 針對新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對手機的要求，業(yè)內(nèi)手機廠商分別開發(fā)了不同手機電源通道管理方案。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

8、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機的USB端口肯定能夠提供500mA電流，并沒有按照USB2.0規(guī)范節(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是，當(dāng)手機連接電纜的另一端連接到PC機USB端口時， i. 如果總是將最大吸取電流設(shè)為100mA，電池的充電時間會

9、被延長數(shù)倍。如果手機仍在工作并持續(xù)消耗電流，電池有可能一直都不會被充滿。 ii. 如果一開始就將最大吸取電流設(shè)為500mA，實驗中曾經(jīng)發(fā)生過一些PC機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的手機電源通道管理IC Maxim的MAX8606是一個全功能的手機電源通道管理芯片，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

10、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)范的手機開機上電過程如下所述： i. 手機開機上電前，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。 ii. 當(dāng)MAX8606 POK輸出低電平，代表從Vbus接入有效的電源后，手機啟動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。 iii. 手機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