概述

通用串行總線(xiàn)(USB)端口是一種帶有電源和地的雙向數(shù)據(jù)端口。USB可以連接所有類(lèi)型的外圍設(shè)備，包括外 部驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)設(shè)備、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、無(wú)線(xiàn)接口、攝像機(jī)和照相機(jī)、MP3播放器以及數(shù)不盡的各種電子設(shè)備。這些設(shè)備有許多采用電池供電，其中一些帶有內(nèi)置電 池。對(duì)于電池充電設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用廣泛的USB既帶來(lái)了機(jī)遇，也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文闡述了如何將一個(gè)簡(jiǎn)單的電池充電器與USB電源進(jìn)行接口。文章回顧了USB 電源總線(xiàn)的特性，包括電壓、電流限制、浪涌電流、連接器以及電纜連接問(wèn)題。同時(shí)介紹了鎳氫電池(NiMH)和鋰電池技術(shù)、充電方法以及充電終止技術(shù)。給出 了一個(gè)完整的示例電路，用于實(shí)現(xiàn)USB端口對(duì)NiMH電池智能充電，并給出了充電數(shù)據(jù)。

USB特性

USB總線(xiàn)能夠?yàn)榈凸碾娮釉O(shè)備提供電源?？偩€(xiàn)電源與電網(wǎng)隔離，并且具有很好的穩(wěn)定性。但是，可用電流有限，同時(shí)負(fù)載和主機(jī)或電源之間存在潛在的互操作問(wèn)題。

USB端口由90Ω雙向差分屏蔽雙絞線(xiàn)、VBUS (+5V電源)和地組成。這4條線(xiàn)由鋁箔內(nèi)屏蔽層和編織網(wǎng)外屏蔽層進(jìn)行屏蔽。最新的USB規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是2.0版，可以從USB組織免費(fèi)獲得。要做到完全符合 該規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，需要通過(guò)一個(gè)功能控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和主機(jī)間的雙向通信。規(guī)范定義了1個(gè)單位負(fù)載為100mA (最大)。任何設(shè)備允許吸取的最大電流為5個(gè)單位負(fù)載。

USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類(lèi)，低功率端口可提供1個(gè)單位負(fù)載的電流，大功率端口可最多提供5個(gè)單位負(fù)載的電流。當(dāng)設(shè)備剛連接到 USB端口時(shí)，枚舉過(guò)程對(duì)器件進(jìn)行識(shí)別，并確定其負(fù)載要求。在此過(guò)程中，只允許設(shè)備從主機(jī)吸取最多1個(gè)單位負(fù)載的電流。枚舉過(guò)程完成后，如果主機(jī)的電源管 理軟件允許，則大功率設(shè)備可以吸取更大的電流。

某些主機(jī)系統(tǒng)(包括下游USB集線(xiàn)器)通過(guò)保險(xiǎn)絲或者有源電流檢測(cè)器提供限流功能。如果USB設(shè)備未經(jīng)過(guò)枚舉過(guò)程便從USB端口吸取大電流(超 過(guò)1個(gè)單位負(fù)載)，則主機(jī)會(huì)檢測(cè)到過(guò)流狀態(tài)，并會(huì)關(guān)閉正在使用的一個(gè)或多個(gè)USB端口。市場(chǎng)上供應(yīng)的許多USB設(shè)備，包括獨(dú)立電池充電器，都沒(méi)有功能控制 器來(lái)處理枚舉過(guò)程，但吸取的電流卻超過(guò)了100mA。在這種不恰當(dāng)?shù)臈l件下，這些設(shè)備可能導(dǎo)致主機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題。例如，如果一個(gè)吸取500mA電流的設(shè)備插入 總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)器，而且未進(jìn)行正確的枚舉過(guò)程，則可能導(dǎo)致集線(xiàn)器端口和主機(jī)端口同時(shí)過(guò)載。

主機(jī)操作系統(tǒng)采用高級(jí)電源管理時(shí)情況會(huì)更加復(fù)雜，特別是筆記本電腦，它總是希望端口電流盡可能低。在某些節(jié)電模式下，計(jì)算機(jī)會(huì)向USB設(shè)備發(fā)出 掛起命令，而后則認(rèn)為設(shè)備進(jìn)入了低功耗模式。設(shè)備中包含一個(gè)能與主機(jī)進(jìn)行通信的功能控制器始終是一個(gè)比較好的做法，即使對(duì)于低功耗設(shè)備來(lái)說(shuō)也是如此。

USB 2.0規(guī)范非常全面，規(guī)定了電源的質(zhì)量、連接器構(gòu)造、電纜材質(zhì)、容許的電壓跌落以及浪涌電流等。低電流和大電流端口具有不同的電源指標(biāo)。這主要是由主機(jī)和 負(fù)載間的連接器和電纜上的電壓跌落決定的，并包括由USB供電的集線(xiàn)器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計(jì)算機(jī)或者自供電USB集線(xiàn)器在內(nèi)的主機(jī)，都具有大電流端 口，可提供最大500mA的電流。無(wú)源、總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)器具有低電流端口。表1列出了USB大電流和低電流端口上游端(電源)引腳允許的電壓容限。

表1. USB 2.0規(guī)范電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

*這些指標(biāo)適用于上游端主機(jī)或集線(xiàn)器端口的連接器引腳。電纜和連接器上的I x R跌落需另外考慮。

在符合USB 2.0規(guī)范的主機(jī)中，大功率端口的上游端具有120µF、低ESR電容。所連接的USB設(shè)備的輸入電容限制在10µF以?xún)?nèi)，在最 初的負(fù)載連接階段，允許負(fù)載從主機(jī)(或自供電集線(xiàn)器)吸取的最大電荷數(shù)為50µC。這樣一來(lái)，當(dāng)新設(shè)備連接至USB端口時(shí)，上游端口的瞬態(tài)電 壓跌落小于0.5V。如果負(fù)載正常工作時(shí)需要更大的輸入電容，則必須提供浪涌電流限制器，以保證對(duì)更大的電容充電時(shí)電流不會(huì)超過(guò)100mA。

當(dāng)USB端口帶有一個(gè)總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)器，集線(xiàn)器上接了低功耗設(shè)備時(shí)，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負(fù)載與總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器連接時(shí)，電壓跌落將超過(guò)圖1給出的指標(biāo)，并會(huì)引起總線(xiàn)過(guò)載。

圖1. 主機(jī)至低功率負(fù)載的電壓跌落大于圖中給出的允許直流電壓跌落時(shí)，會(huì)引起總線(xiàn)過(guò)載。

電池充電要求

單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池

如今的鋰電池充電至最大額定容量后，其電壓通常為4.1V至4.2V之間。當(dāng)前市場(chǎng)上正在出售的、更新的、容量更大的電池，其電壓范圍在4.3V至4.4V之間。典型的棱柱形鋰離子(Li+)和鋰聚合物(Li-Poly)電池容量為600mAh至1400mAh。

對(duì)Li+和Li-Poly電池來(lái)說(shuō)，首選的充電曲線(xiàn)是從恒流充電開(kāi)始，一直持續(xù)到電池電壓達(dá)到額定電壓。然后，充電器對(duì)電池兩端的電壓進(jìn)行調(diào) 節(jié)。這兩種調(diào)節(jié)方式構(gòu)成了恒流(CC)恒壓(CV)充電方式。因此，這種類(lèi)型的充電器通常稱(chēng)為CCCV充電器。CCCV充電器進(jìn)入CV模式后，電池的充電 電流開(kāi)始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當(dāng)電池達(dá)到其充滿(mǎn)容量的80%至90%時(shí)，充電器由CC模式轉(zhuǎn)換為CV模式。充電器一旦進(jìn) 入CV充電模式，則對(duì)電池電流進(jìn)行監(jiān)視；當(dāng)電流達(dá)到最低門(mén)限(幾毫安或者幾十毫安)時(shí)，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2. 使用CCCV充電器對(duì)Li+電池充電時(shí)的典型曲線(xiàn)