USB 電源充電小貼士-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯USB電源充電小貼士-基礎(chǔ)電子消費(fèi)者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來越少，并期望獲得通過計(jì)算機(jī)或AC插座充電的靈活性，因此要求幾乎所有目前和未來推出的手持設(shè)備都能通過USB電源和AC墻上適配器充電。

通過USB給電池充電存在許多挑戰(zhàn)。使用同一條線纜的要求、以及由此而來的USB和AC適配器單輸入，這些都意味著系統(tǒng)必須能夠識(shí)別并使用兩種電源。在本文中，我們以bq2407x系列器件為例來介紹簡(jiǎn)化便攜式應(yīng)用鋰離子(Li-Ion)電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些特性和規(guī)范。具體而言，我們將討論輸入電流極限、靜態(tài)電流、輸入電壓動(dòng)態(tài)電源管理(VIN-DPM)以及中國充電器規(guī)范的影響。這些特性簡(jiǎn)化了便攜式應(yīng)用的充電器設(shè)計(jì)。

輸入電流極限

公認(rèn)的USB規(guī)范是USB設(shè)備的電流消耗。USB電源分為低功率和高功率電源。低功率電源被定義為非自供電USB集線器。這些設(shè)備使用來自USB電源的500mA電流，且必須在所有連接至集線器的設(shè)備之間共用電流。

低功率電源可提供4.4V的工作電壓，其電流極限設(shè)定在一個(gè)單位負(fù)載，即USB1.x和2.0下的100mA。就超高速(SuperSpeed)USB而言，單位負(fù)載被增加到了150mA。高功率電源是一些自供電的集線器或者計(jì)算機(jī)USB端口，其可提供工作電壓為4.75V，擁有高達(dá)5個(gè)單位負(fù)載的電流，即USB1.x和2.0下每個(gè)端口500mA，或者超高速USB下6個(gè)單位負(fù)載(900mA)。所有設(shè)備默認(rèn)均為低功率模式，但在枚舉主機(jī)時(shí)會(huì)要求高功率模式。

除高功率和低功率端口以外，許多設(shè)備均通過使用相同連接器的AC適配器來運(yùn)行。這些電源可提供高達(dá)1.5A的電流(USB線纜傳輸能力)。

設(shè)備不能使用2.5mA以上的電流時(shí)，終模式為掛起模式。USB設(shè)備必須支持所有這四種模式才能通過USB規(guī)范。

充電設(shè)備的輸入電流極限不能超出USB規(guī)范。這就是說必須在產(chǎn)品說明書中找到技術(shù)說明規(guī)范，以驗(yàn)證在所有工藝差異和溫度下均能夠保證電流極限不超出USB極限。

圖1是bq2407x產(chǎn)品說明書的一部分，其清楚地標(biāo)明了輸入極限規(guī)范。請(qǐng)注意，規(guī)范的數(shù)值為USB極限。這樣就可以確保溫度、工藝和輸入電壓下的所有bq2407x器件都在USB規(guī)范以內(nèi)。USB規(guī)范極限列出的典型值是不允許出現(xiàn)的，因?yàn)橐恍┎考?huì)超出該值。如果值大于USB規(guī)范，則存在違反USB規(guī)范的可能性。

圖1：bq2407x產(chǎn)品輸入極限。

主機(jī)要求系統(tǒng)進(jìn)入U(xiǎn)SB掛起模式時(shí)，規(guī)范極限為2.5mA。驅(qū)動(dòng)EN1和EN2為高電平使得bq2407x進(jìn)入U(xiǎn)SB掛起模式。這種模式下，靜態(tài)電流減少至50μA()。如果其他電路由VBUS電源供電運(yùn)行，則這會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來較大的裕量。就待機(jī)模式電流規(guī)范而言，其通常出現(xiàn)在電氣特性表的靜態(tài)電流部分。

圖2顯示了bq2407x的靜態(tài)電流。請(qǐng)注意，在USB掛起模式(EN1=EN2=HI)下，靜態(tài)電流為50μA(VBUS=6V)，其大大低于USB掛起模式的2.5mA要求。

圖2：bq2407x產(chǎn)品靜態(tài)電流。

USB啟動(dòng)問題

USB2.0規(guī)范規(guī)定“并聯(lián)一個(gè)單位負(fù)載時(shí)(100mA)，線纜下行端允許的負(fù)載(CRPB)為10μF。10μF電容代表一個(gè)VBUS線之間直接連接的旁路電容器，加上通過設(shè)備調(diào)節(jié)器的所有可見電容效應(yīng)?！?。

要對(duì)此進(jìn)行測(cè)試，USB-IF測(cè)試程序文檔1.3版描述為“USB規(guī)范允許高達(dá)10μF硬啟動(dòng)，其可形成50.0μC的浪涌電流值?！?0μC由公式1計(jì)算得到：

我們?nèi)绾螌⑵渥優(yōu)殡娏鳂O限呢？安培的單位為庫侖每秒。這就是說在啟動(dòng)期間，電流極限以上的浪涌電流乘以電流極限以上的時(shí)間，所得結(jié)果必須小于50μC。如公式2所示：

IIN_AVG代表浪涌電流期間的平均輸入電流。充電器的輸入電流極限必須防止來自USB電源的電流超出50μC。

圖3顯示了在100mA模式下bq2407x的啟動(dòng)情況。高亮區(qū)域代表允許的過沖充電區(qū)域。bq2407x的輸入電容要求為1μF。這超出了符合輸入電容規(guī)定的程度。輸入電流極限讓設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心系統(tǒng)的電容值，因?yàn)閁SB電源絕不會(huì)出現(xiàn)這種電流。

圖3：輸入電流啟動(dòng)波形，EN1=EN2=GND,VBAT

bq2407x的輸入電容要求為1μF。硬啟動(dòng)1μF要求5μC。這種啟動(dòng)的系統(tǒng)電容為47μF，且不能直接通過USB端口啟動(dòng)。就輸入電流極限而言，硬啟動(dòng)系統(tǒng)電容并開始充電都不成問題。輸入電流閾值小于100mA規(guī)范，因此首次啟動(dòng)以后便不會(huì)違反USB100規(guī)范。

弱電池閾值

USB規(guī)范要求在VBUS電源的電流大于2.5mA以前枚舉主機(jī)。但是，規(guī)范中有一條關(guān)于零電量、弱電量或無電池情況的規(guī)定。規(guī)定如下：“一個(gè)零電量、弱電量或無電池情況的設(shè)備需要在連接后100ms左右的時(shí)間提供100mA的電流，以確定它是否可以連接。”[3]如果設(shè)備不能在100ms時(shí)間內(nèi)以100mA啟動(dòng)，則可能會(huì)出現(xiàn)問題。

為了解決這個(gè)問題，USB規(guī)范增加了一條電池充電的具體規(guī)定。其規(guī)定“如果便攜式設(shè)備不能以低于100mA的電流上電并連接，該零電量或弱電量電池的設(shè)備則可以使用主機(jī)提供的100mA電流首先將其電池充電至其弱電量電池閾值。一旦達(dá)到其弱電量電池閾值，立即要求設(shè)備上電并連接?！痹谌蹼娏侩姵亻撝狄陨?，假設(shè)電池足以為主機(jī)供電，因此主機(jī)開啟。每種應(yīng)用都定義了其自身的弱電量電池閾值。bq2407x的硬件使能以及一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓探測(cè)器使得設(shè)計(jì)人員能夠輕松地滿足這一要求。圖4顯示的是弱電量電池閾值情況下的一款簡(jiǎn)單解決方案。

圖4弱電量電池檢測(cè)實(shí)施

必須對(duì)電壓探測(cè)器進(jìn)行應(yīng)用弱電量電池閾值設(shè)置。例如，TPS3836有數(shù)個(gè)有效閾值。另外，為了獲得的靈活性，一些電壓探測(cè)器提供了可調(diào)節(jié)閾值。就這種應(yīng)用來說，重要的電壓探測(cè)器特性是一種有源低電平RESET(VIN

圖5顯示了實(shí)施波形。將弱電量電池閾值設(shè)定為3.3V。當(dāng)插入3.5V電池時(shí)，其被識(shí)別為一塊狀態(tài)良好的電池，同時(shí)EN1和EN2被TPS3836拉為高電平。枚舉主機(jī)以后，主機(jī)拉低EN2，以將bq24072電池充電器設(shè)置為USB500模式。這種方法假定HOST關(guān)閉時(shí)HOSTGPIO為高阻抗。

圖5弱電量電池實(shí)施舉例

基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理(VIN-DPM)

USB規(guī)范規(guī)定，在通過所有集線器和線纜以后的滿負(fù)載條件下，低功率端口設(shè)備的輸出可以低至4.4V。一些設(shè)備實(shí)施了基于輸入電壓的動(dòng)態(tài)電源管理(VIN-DPM)。該環(huán)路降低了輸入電流極限，以防止輸入崩潰。圖6顯示了無VIN-DPM保護(hù)情況下USB端口過負(fù)載的后果。請(qǐng)注意，當(dāng)輸入電壓降至“電源良好”閾值以下時(shí)，充電器關(guān)閉。這樣會(huì)關(guān)閉電源的負(fù)載，并允許輸入電壓恢復(fù)，從而開啟充電器。這種開/關(guān)脈沖是多余的。

圖6無VIN-DPM的輸入崩潰

VIN-DPM通過限制輸入電流來阻止出現(xiàn)脈沖，從而防止輸入電源崩潰。圖7顯示了使用bq2407x充電器時(shí)USB端口過載的結(jié)果。VIN-DPM功能生效來降低輸入電流極限，并防止電源崩潰。

圖7使用了VIN-DPM的輸入過載保護(hù)

中國充電器標(biāo)準(zhǔn)

展望未來，中國針對(duì)在中國銷售的充電器適配器制定了一套標(biāo)準(zhǔn)，旨在減少每年1億多淘汰手持設(shè)備的廢棄適配器數(shù)量。這種新的標(biāo)準(zhǔn)使用了許多USB規(guī)范。就這點(diǎn)而言，其要求適配器電源線有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的A型USB連接器，以插入AC適配器或標(biāo)準(zhǔn)的USB端口。充電器必須能提供300mA和1.8A之間的電流。額定適配器電壓為5V+/-5%，而且充電器必須工作在低于6V的電源下。電源超過6V時(shí)，下游電路必須得到保護(hù)。

許多電池充電器IC都具有幫助達(dá)到中國充電器標(biāo)準(zhǔn)的功能。顧名思義術(shù)語“通用充電器”，即充電器IC的輸入必須穩(wěn)健到能夠應(yīng)對(duì)許多不同的電源，并且不再是只為單個(gè)特定適配器而進(jìn)行設(shè)計(jì)。它們必須能夠經(jīng)受得住高壓電源(例如：12V車載電源等)的意外接入。如bq2407x等器件的寬輸入電壓范圍可在高達(dá)28V的輸入瞬態(tài)電壓條件下為下游設(shè)備提供保護(hù)。這種高輸入電壓范圍和過壓保護(hù)(OVP)功能可保護(hù)電池充電器和下游設(shè)備免受錯(cuò)誤或潛在有害輸入電源的損壞。

VIN-DPM特性還有助于達(dá)到中國充電器標(biāo)準(zhǔn)。通用適配器可提供300mA和1.8A之間的電流。使用沒有VIN-DPM的設(shè)備時(shí)，如果IC編程為500mA輸入電流極限，則會(huì)使300mA適配器崩潰。VIN-DPM功能可防止輸入在連接弱適配器時(shí)崩潰，而且仍然允許將電流極限針對(duì)典型適配器進(jìn)行設(shè)置以化充電時(shí)間。

結(jié)論

消費(fèi)者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來越少，并期望獲得通過計(jì)算機(jī)或AC插座充電的靈活性，因此要求許