在家里、在車內(nèi)或插入計(jì)算機(jī)時(shí)，USB 供電的便攜式設(shè)備需要一種智能方法來確定正常運(yùn)行和充電所需的適當(dāng)電量。受便攜式設(shè)備種類繁多、USB 端口差異以及可充電電池復(fù)雜性的推動(dòng)，USB 電池充電規(guī)范修訂版 1.2 是建立從 USB 端口為電池充電的正確方法的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。但即使采用BC1.2規(guī)范，一些便攜式設(shè)備制造商仍然采用了專有充電器，使USB電池充電領(lǐng)域進(jìn)一步復(fù)雜化。本文討論了 USB 電池充電的最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)力以及每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義的規(guī)范。它還提出了實(shí)現(xiàn)能夠?yàn)楦鞣N專有便攜式設(shè)備進(jìn)行大電流充電的USB端口的簡單策略。

介紹

停在原地，環(huán)顧四周。您很可能會(huì)看到有人使用便攜式設(shè)備。在家里、在車內(nèi)或插入計(jì)算機(jī)時(shí)，USB 供電的便攜式設(shè)備需要一種智能方法來確定正常運(yùn)行和充電所需的適當(dāng)電量。由于便攜式設(shè)備的種類繁多、USB 端口的差異以及可充電電池的復(fù)雜性，2010 年發(fā)布的 USB 電池充電規(guī)范修訂版 1.2（標(biāo)識(shí)為 BC1.2;見 www.usb.org/developers/docs/devclass_docs/）是建立從 USB 端口為電池充電的正確方法的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。但即使采用BC1.2規(guī)范，一些便攜式設(shè)備制造商仍然采用了專有充電器，使USB電池充電領(lǐng)域進(jìn)一步復(fù)雜化。

本文討論了 USB 電池充電的最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)力以及每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義的規(guī)范。它還提出了實(shí)現(xiàn)能夠?yàn)楦鞣N專有便攜式設(shè)備進(jìn)行大電流充電的USB端口的簡單策略。

對(duì)電池充電標(biāo)準(zhǔn)的需求——BC1.2 之前的時(shí)代

USB的廣泛采用是因?yàn)樗軌驗(yàn)橥鈬O(shè)備供電。USB 構(gòu)思于 1990 年代中期，最初旨在將外部設(shè)備（例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、外部驅(qū)動(dòng)器等）連接到計(jì)算機(jī)。隨著越來越多的不同便攜式產(chǎn)品受到青睞，為它們供電的需求也隨之增加。通過用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?a target="_blank">連接器供電的能力使USB在便攜式市場上具有直接而顯著的優(yōu)勢。

在 2007 年第一個(gè)電池充電規(guī)范之前，嘗試為電池充電本質(zhì)上是一種廢話——非常不可預(yù)測的結(jié)果。在2000年中使用USB 2.0時(shí)，外圍設(shè)備默認(rèn)可以消耗100mA，除非它明確協(xié)商將電流增加到最大500mA。如果延遲后總線上沒有數(shù)據(jù)活動(dòng)，總線將進(jìn)入“掛起”模式，將允許的電流消耗限制在2.5mA。如果電池完全耗盡的便攜式設(shè)備嘗試從標(biāo)準(zhǔn)端口充電，則只能可靠地消耗2.5mA！

實(shí)際上，許多電子產(chǎn)品制造商仍然沒有嚴(yán)格遵守USB 2.0規(guī)范，因?yàn)樗麄儧]有在他們提供的USB端口中實(shí)施這些電流限制。一些（讀取：大多數(shù)）USB端口允許100mA，無論枚舉和持續(xù)活動(dòng)如何;一些端口甚至提供500mA，而不考慮所需的電源協(xié)商。一些便攜式設(shè)備的應(yīng)用需要超過100mA的電流，并錯(cuò)誤地假設(shè)USB端口始終提供500mA電流。

一個(gè)好的充電方案必須知道如何向便攜式設(shè)備發(fā)出信號(hào)，從USB端口獲取哪些功率水平是安全的。雖然很合乎邏輯，但之前模棱兩可的 USB “事態(tài)”存在一個(gè)主要問題——如果消耗的電流超過預(yù)期，USB 端口將如何響應(yīng)？某些端口將完全關(guān)閉并保持關(guān)閉狀態(tài)，直到拔下并重新連接外圍設(shè)備。其他端口將發(fā)出 USB 系統(tǒng)重置并重新啟動(dòng)枚舉過程。

BC1.2 推出

電池充電不是USB的原始功能。因此，在BC1.2之前，沒有官方規(guī)定為斷電設(shè)備的電池充電。通過建立一種清晰的方法來通信USB端口的電源功能，BC1.2可以解決其中的許多問題。

無論可充電電池使用何種材料，在操作和充電過程中都需要特別考慮每種材料。例如，Li+電池制造商有時(shí)會(huì)指定最低放電水平;超過此閾值的深度耗盡電池需要在預(yù)處理模式下充電，然后才能開始完全充電。一旦電池達(dá)到標(biāo)稱狀態(tài)，可以使用更高的充電電流來減少充電時(shí)間。這通常稱為恒流模式。當(dāng)電池幾乎完全充電時(shí)，繼續(xù)保持恒流模式可能是有害的。智能充電解決方案將切換到恒壓模式以“充電”充電。由于電池的復(fù)雜性以及安全充電所需的逐案定制，如今大多數(shù)便攜式設(shè)備都將專用的電池充電控制器集成到最終產(chǎn)品中。

BC1.2 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它規(guī)定為沒電或弱電池充電。低于“弱電池閾值”的電池允許以高于 2.5mA 掛起電流的電流充電，無論端口類型如何。一旦電池達(dá)到標(biāo)稱水平，設(shè)備必須在特定時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行枚舉，以保持來自需要枚舉的USB端口的更高電流消耗。

并非所有端口都是一樣的

BC1.2 概述了三種不同類型的 USB 端口和兩個(gè)關(guān)鍵名稱。“充電”端口是提供高于500mA電流的端口?！跋掠巍倍丝诟鶕?jù) USB 2.0 發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)。BC1.2 規(guī)范還確定了每個(gè)端口在終端設(shè)備上的顯示方式，以及用于標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)的端口類型的協(xié)議。三種 USB BC1.2 端口類型是 SDP、DCP 和 CDP（請(qǐng)參閱圖 1）：

標(biāo)準(zhǔn)下行端口 （SDP）該端口在D+和D-線路上均具有15kΩ下拉電阻。電流限值是上面討論的：掛起時(shí)為2.5mA，連接時(shí)為100mA，連接并配置為更高功率時(shí)為500mA。

專用充電端口 （DCP）此端口不支持任何數(shù)據(jù)傳輸，但能夠提供超過 1.5A 的充電電流。它在 D+ 和 D- 線之間有一個(gè)短線。這種類型的端口允許具有高充電能力的壁式充電器和車載充電器，而無需枚舉。

下游端口 （CDP） 該端口允許大電流充電和數(shù)據(jù)傳輸，完全符合USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)。它具有D+和D-通信所需的15kΩ下拉電阻，并且還具有在充電器檢測階段切換的內(nèi)部電路。此內(nèi)部電路允許便攜式設(shè)備將 CDP 與其他端口類型區(qū)分開來。

圖1.USB BC 1.2 中概述的端口類型。

值得慶幸的是，DCP的電氣仿真非常簡單。D+和D-短接在一起（BC1.2規(guī)范規(guī)定它們之間的最大阻抗為200Ω），并且線路相對(duì)于地保持浮動(dòng)。便攜式設(shè)備只需用信號(hào)驅(qū)動(dòng)D+或D-，并觀察另一條線路的相同信號(hào)。事實(shí)上，用于端口識(shí)別的 BC1.2 過程正是這樣做的。便攜式設(shè)備應(yīng)該在D+上設(shè)置電壓并測量D-，然后在D-上設(shè)置電壓并測量D +。通過如此簡單的設(shè)置，帶有USB連接器的壁式充電器應(yīng)該非常容易設(shè)計(jì)！所要做的就是將連接器上的兩個(gè)引腳短接，并將其添加到現(xiàn)有的壁式充電器中，該充電器能夠在 5V 下提供 2A 電流。對(duì)吧？不完全是。

即使有BC1.2規(guī)范可用，一些電子制造商也會(huì)為其專用充電器開發(fā)定制協(xié)議。當(dāng)您將他們的一個(gè)設(shè)備連接到完全兼容的 BC1.2 充電端口時(shí)，您可能仍會(huì)收到錯(cuò)誤消息“此配件不支持充電”。盡管有此消息，但這些設(shè)備實(shí)際上可能仍在充電，但充電電流可能非常小。幸運(yùn)的是，幾乎所有這些專有的專用充電器都通過 D+ 和 D- 線路上設(shè)置的直流電平來識(shí)別自己，該電平由 5V 和地之間的電阻分壓器組成（圖 2）。

圖2.來自各種制造商的專用充電端口。

幸運(yùn)的是，有一種智能、廉價(jià)的解決方案可以為這些不同制造商的設(shè)備以及符合 BC1.2 的設(shè)備進(jìn)行最佳充電。

端口檢測是必須的

USB 充電器適配器仿真器

USB 充電器適配器仿真器是一種使專用充電器顯示為 BC1.2 DCP 或其他專有充電器的設(shè)備。充電器適配器仿真器為壁式充電器提供動(dòng)態(tài)元件，無需添加單獨(dú)的控制單元來檢測連接的設(shè)備類型。許多充電器適配器仿真器都可通過硬件配置為在不同的充電器識(shí)別配置文件之間進(jìn)行選擇。其他具有自動(dòng)檢測電路，可檢測連接的便攜式設(shè)備類型，并且可以在制造商的特定分壓器或標(biāo)準(zhǔn)化的BC1.2 DCP模式之間切換。

為了方便地集成到壁式充電器中并使其有效，USB 充電器適配器仿真器必須外形小巧且外部組件數(shù)量少。例如，MAX14630/MAX14632為充電器適配器仿真器，可配置為自動(dòng)檢測USB BC1.2兼容器件、Apple 1.0A器件、Apple 2.1A器件或三星Galaxy Tablet 2A器件。這些 USB 適配器仿真器中的每一個(gè)都只需要一個(gè)旁路電容器，并采用 2.90mm × 1.60mm 封裝。圖 3 中的電路是單個(gè)專用充電器系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)與兼容 Apple 1A 和 USB BC1.2 的設(shè)備兼容。默認(rèn)情況下，此適配器仿真器將電阻分壓器連接到數(shù)據(jù)線，但可以根據(jù) BC1.2 規(guī)范自動(dòng)檢測 USB BC1.2 器件以及短 D+ 和 D-。與 AC-DC 5V 電源配合使用，通過使用適配器仿真器傳達(dá)適當(dāng)?shù)碾娏飨拗?，可以為各種便攜式設(shè)備進(jìn)行最佳充電。?

圖3.用于自動(dòng)檢測 USB BC1.2/Apple 1A 設(shè)備的 DCP 示例。該設(shè)計(jì)采用MAX14630/MAX14632 USB充電器適配器仿真器。

專用充電器是相對(duì)簡單的生物。為下行端口充電增加了支持 USB 2.0 數(shù)據(jù)速率的復(fù)雜性，以及處理高達(dá) 1.5A 充電電流的能力。為了區(qū)別于專用充電器，CDP具有BC1.2中概述的內(nèi)部電路，當(dāng)它在端口檢測階段檢測到驅(qū)動(dòng)D+的便攜式設(shè)備時(shí)，它能夠?qū)-線驅(qū)動(dòng)到特定電壓。該內(nèi)部電路只能在端口檢測期間導(dǎo)通，并且只能在關(guān)斷時(shí)在總線上貢獻(xiàn)指定數(shù)量的寄生電容。這些限制由 USB 2.0 規(guī)范設(shè)定，該規(guī)范概述了保證高速 USB 通信的電路參數(shù)。

在端口檢測階段之后，符合 BC1.2 的 CDP 會(huì)斷開上述內(nèi)部電路的連接，現(xiàn)在可以進(jìn)行正常的 USB 數(shù)據(jù)傳輸。有趣的是，CDP中出現(xiàn)了一個(gè)DCP不會(huì)出現(xiàn)的問題：數(shù)字噪聲容限。根據(jù)USB 2.0，通過USB電纜的100mA接地電流會(huì)導(dǎo)致主機(jī)接地和設(shè)備接地之間產(chǎn)生25mV的差異。由于電流可能高達(dá)1.5A，因此符合BC1.2標(biāo)準(zhǔn)的CDP和便攜式設(shè)備必須能夠解析器件與主機(jī)之間最大接地失調(diào)為375mV的數(shù)據(jù)。從這些關(guān)鍵問題中得出的結(jié)論是，不能隨意建立CDP。必須注意確保正常運(yùn)行。

USB 主機(jī)適配器仿真器

USB 主機(jī)適配器仿真器結(jié)合了高速 USB 模擬開關(guān)，以處理 480Mbps 的完整 USB 2.0 流量和 USB 充電器適配器仿真器電路。除了 DCP 和專有充電器配置文件之外，還可以將主機(jī)適配器仿真器配置為 SDP 和 CDP 直通模式，如 BC1.2 中所述。在 CDP 直通模式下，設(shè)備在首次連接設(shè)備時(shí)模擬 CDP 功能。然后，為了支持正常的USB 2.0流量，它們在充電器檢測階段之后將D+和D-線路的控制權(quán)移交給USB主機(jī)收發(fā)器。

此類設(shè)備的可配置性使主機(jī)適配器仿真器特別適用于計(jì)算機(jī)。例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)連接到其電源時(shí)，它可以將其主機(jī)適配器仿真器配置為 CDP 來啟用大電流 USB 充電端口。當(dāng)耗盡筆記本電腦的電池電源時(shí)，計(jì)算機(jī)可以將適配器仿真器切換到標(biāo)準(zhǔn) USB 端口配置，以將電流消耗限制為最大 500mA。通過將其適配器模擬器重新配置為專用充電器，筆記本電腦仍然可以在斷電但插入電源時(shí)從其 USB 端口提供大電流充電。

主機(jī)適配器仿真器的一個(gè)重要注意事項(xiàng)是它們在重新配置時(shí)如何處理 USB 總線。不正確地從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致下游 USB 設(shè)備出現(xiàn)故障。因此，通常包括總線復(fù)位或限流開關(guān)，以應(yīng)對(duì)配置的變化。例如，除了支持SDP直通、CDP直通、DCP、Apple 2.1A和三星2A模式外，MAX14640、MAX14641、MAX14642、MAX14643和MAX14644器件發(fā)出總線復(fù)位，以確保下游器件了解主機(jī)的任何變化。 它們還具有自動(dòng)限流開關(guān)控制輸出，每當(dāng)主機(jī)收發(fā)器通過 I 重新配置適配器仿真器時(shí)，該輸出就會(huì)重置便攜式設(shè)備2C 或進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

前面提到的充電器和主機(jī)適配器仿真器設(shè)計(jì)為與單獨(dú)的電源耦合，無論是來自墻上適配器還是計(jì)算機(jī)的電源。除了在家里和電腦附近，為USB設(shè)備充電的第三個(gè)最常見地方是汽車。車輛中最常見的輔助電源插座提供 12V 直流電，在特殊情況下提供 24V 直流電。但是，該電壓在不同的工作環(huán)境中波動(dòng)很大。考慮到電池電壓隨溫度的變化，提供的實(shí)際電壓可能低至9V或高達(dá)28V;它可能具有高達(dá)40V的臨時(shí)浪涌。一些 USB 端口應(yīng)用（如車載充電器和導(dǎo)航系統(tǒng)）需要符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 USB 充電器/主機(jī)適配器仿真器和堅(jiān)固耐用的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生 USB 電源所需的 5V。

使用適配器仿真器具有額外的優(yōu)勢，可以將主機(jī) USB 收發(fā)器與潛在的 ESD 損壞、USB 線路短路或電池短路隔離開來。DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要保證在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。保護(hù)汽車電池的能力是一個(gè)關(guān)鍵特征，因此設(shè)計(jì)良好的轉(zhuǎn)換器應(yīng)包括可調(diào)節(jié)的限流電路。此外，汽車充電系統(tǒng)需要檢測輸出電流并將該診斷數(shù)據(jù)傳輸給控制單元，控制單元需要一個(gè)電流檢測放大器。MAX16984是一類專門將DC-DC轉(zhuǎn)換器、主機(jī)適配器仿真器電路、ESD保護(hù)和電流檢測放大器集成到單個(gè)IC方案中的產(chǎn)品。MAX16984設(shè)計(jì)用于4.5V至28V輸入，具有高達(dá)42V的拋負(fù)載瞬變保護(hù)。它具有對(duì)電阻反饋網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)置支持，以監(jiān)控V總線電壓和高邊電流檢測放大器，用于監(jiān)控流向所連接USB設(shè)備的電流。當(dāng)然，它具有USB BC1.2兼容電路，支持高速（480Mbps）USB數(shù)據(jù)，并且可以模擬Apple 1A / 2.1A充電器。

圖4.高度集成的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，帶有USB主機(jī)充電器適配器電路，采用MAX16984。

總結(jié)

USB BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)于 2010 年定義，并立即用于關(guān)閉電源的便攜式設(shè)備的電池充電。它還增加了為沒電或弱電池充電的規(guī)定。它定義了三種不同類型的 USB 端口，每種端口都在此處描述。通過遵循 USB BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)，USB 端口現(xiàn)在可以將其電源功能傳達(dá)給 USB 供電的便攜式設(shè)備。現(xiàn)在可以安全地為各種便攜式設(shè)備進(jìn)行電池充電。最后，USB適配器仿真器的開發(fā)為USB端口的設(shè)計(jì)增加了重要的可配置性。

對(duì)于承諾充電的 USB 端口，新的充電器適配器仿真器增加了兼容的可插拔設(shè)備的數(shù)量。在動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，例如對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)置 USB 端口的不同要求，主機(jī)適配器仿真器提供了簡化的設(shè)計(jì)。在惡劣的汽車環(huán)境中，集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器和適配器仿真器可以管理波動(dòng)的電壓電平，降低成本并節(jié)省空間。

審核編輯：郭婷