在家里、在車內(nèi)或插入計算機時，USB 供電的便攜式設(shè)備需要一種智能方法來確定正常運行和充電所需的適當電量。受便攜式設(shè)備種類繁多、USB 端口差異以及可充電電池復雜性的推動，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)鍵標準。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)域進一步復雜化。本文討論了 USB 電池充電的最新行業(yè)標準的推動力以及每個標準定義的規(guī)范。它還提出了實現(xiàn)能夠為各種專有便攜式設(shè)備進行大電流充電的USB端口的簡單策略。

介紹

停在原地，環(huán)顧四周。您很可能會看到有人使用便攜式設(shè)備。在家里、在車內(nèi)或插入計算機時，USB 供電的便攜式設(shè)備需要一種智能方法來確定正常運行和充電所需的適當電量。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雜性，2010 年發(fā)布的 USB 電池充電規(guī)范修訂版 1.2（標識為 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)鍵標準。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)域進一步復雜化。

本文討論了 USB 電池充電的最新行業(yè)標準的推動力以及每個標準定義的規(guī)范。它還提出了實現(xiàn)能夠為各種專有便攜式設(shè)備進行大電流充電的USB端口的簡單策略。

對電池充電標準的需求——BC1.2 之前的時代

USB的廣泛采用是因為它能夠為外圍設(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、打印機、外部驅(qū)動器等）連接到計算機。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——非常不可預測的結(jié)果。在2000年中使用USB 2.0時，外圍設(shè)備默認可以消耗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，總線將進入“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)備嘗試從標準端口充電，則只能可靠地消耗2.5mA！

實際上，許多電子產(chǎn)品制造商仍然沒有嚴格遵守USB 2.0規(guī)范，因為他們沒有在他們提供的USB端口中實施這些電流限制。一些（讀?。捍蠖鄶?shù)）USB端口允許100mA，無論枚舉和持續(xù)活動如何;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)備的應用需要超過100mA的電流，并錯誤地假設(shè)USB端口始終提供500mA電流。

一個好的充電方案必須知道如何向便攜式設(shè)備發(fā)出信號，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)”存在一個主要問題——如果消耗的電流超過預期，USB 端口將如何響應？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+電池制造商有時會指定最低放電水平;超過此閾值的深度耗盡電池需要在預處理模式下充電，然后才能開始完全充電。一旦電池達到標稱狀態(tài)，可以使用更高的充電電流來減少充電時間。這通常稱為恒流模式。當電池幾乎完全充電時，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 的另一個優(yōu)點是它規(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。一旦電池達到標稱水平，設(shè)備必須在特定時間范圍內(nèi)進行枚舉，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 端口和兩個關(guān)鍵名稱?！俺潆姟倍丝谑翘峁└哂?00mA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。BC1.2 規(guī)范還確定了每個端口在終端設(shè)備上的顯示方式，以及用于標識實現(xiàn)的端口類型的協(xié)議。三種 USB BC1.2 端口類型是 SDP、DCP 和 CDP（請參閱圖 1）：

標準下行端口 （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：掛起時為2.5mA，連接時為100mA，連接并配置為更高功率時為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標準。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），并且線路相對于地保持浮動。便攜式設(shè)備只需用信號驅(qū)動D+或D-，并觀察另一條線路的相同信號。事實上，用于端口識別的 BC1.2 過程正是這樣做的。便攜式設(shè)備應該在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該非常容易設(shè)計！所要做的就是將連接器上的兩個引腳短接，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。對吧？不完全是。

即使有BC1.2規(guī)范可用，一些電子制造商也會為其專用充電器開發(fā)定制協(xié)議。當您將他們的一個設(shè)備連接到完全兼容的 BC1.2 充電端口時，您可能仍會收到錯誤消息“此配件不支持充電”。盡管有此消息，但這些設(shè)備實際上可能仍在充電，但充電電流可能非常小。幸運的是，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。

幸運的是，有一種智能、廉價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態(tài)元件，無需添加單獨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別配置文件之間進行選擇。其他具有自動檢測電路，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準化的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都只需要一個旁路電容器，并采用 2.90mm × 1.60mm 封裝。圖 3 中的電路是單個專用充電器系統(tǒng)的快速實現(xiàn)，該系統(tǒng)與兼容 Apple 1A 和 USB BC1.2 的設(shè)備兼容。默認情況下，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適當?shù)碾娏飨拗?，可以為各種便攜式設(shè)備進行最佳充電。?

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

專用充電器是相對簡單的生物。為下行端口充電增加了支持 USB 2.0 數(shù)據(jù)速率的復雜性，以及處理高達 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，當它在端口檢測階段檢測到驅(qū)動D+的便攜式設(shè)備時，它能夠?qū)-線驅(qū)動到特定電壓。該內(nèi)部電路只能在端口檢測期間導通，并且只能在關(guān)斷時在總線上貢獻指定數(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 會斷開上述內(nèi)部電路的連接，現(xiàn)在可以進行正常的 USB 數(shù)據(jù)傳輸。有趣的是，CDP中出現(xiàn)了一個DCP不會出現(xiàn)的問題：數(shù)字噪聲容限。根據(jù)USB 2.0，通過USB電纜的100mA接地電流會導致主機接地和設(shè)備接地之間產(chǎn)生25mV的差異。由于電流可能高達1.5A，因此符合BC1.2標準的CDP和便攜式設(shè)備必須能夠解析器件與主機之間最大接地失調(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行。

USB 主機適配器仿真器

USB 主機適配器仿真器結(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主機收發(fā)器。

此類設(shè)備的可配置性使主機適配器仿真器特別適用于計算機。例如，當計算機連接到其電源時，它可以將其主機適配器仿真器配置為 CDP 來啟用大電流 USB 充電端口。當耗盡筆記本電腦的電池電源時，計算機可以將適配器仿真器切換到標準 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從其 USB 端口提供大電流充電。

主機適配器仿真器的一個重要注意事項是它們在重新配置時如何處理 USB 總線。不正確地從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)可能會導致下游 USB 設(shè)備出現(xiàn)故障。因此，通常包括總線復位或限流開關(guān)，以應對配置的變化。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)出總線復位，以確保下游器件了解主機的任何變化。 它們還具有自動限流開關(guān)控制輸出，每當主機收發(fā)器通過 I 重新配置適配器仿真器時，該輸出就會重置便攜式設(shè)備2C 或進入待機狀態(tài)。

前面提到的充電器和主機適配器仿真器設(shè)計為與單獨的電源耦合，無論是來自墻上適配器還是計算機的電源。除了在家里和電腦附近，為USB設(shè)備充電的第三個最常見地方是汽車。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)境中波動很大。考慮到電池電壓隨溫度的變化，提供的實際電壓可能低至9V或高達28V;它可能具有高達40V的臨時浪涌。一些 USB 端口應用（如車載充電器和導航系統(tǒng)）需要符合汽車標準的 USB 充電器/主機適配器仿真器和堅固耐用的 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 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。保護汽車電池的能力是一個關(guān)鍵特征，因此設(shè)計良好的轉(zhuǎn)換器應包括可調(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，控制單元需要一個電流檢測放大器。MAX16984是一類專門將DC-DC轉(zhuǎn)換器、主機適配器仿真器電路、ESD保護和電流檢測放大器集成到單個IC方案中的產(chǎn)品。MAX16984設(shè)計用于4.5V至28V輸入，具有高達42V的拋負載瞬變保護。它具有對電阻反饋網(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主機充電器適配器電路，采用MAX16984。

總結(jié)

USB BC1.2 標準于 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 標準，USB 端口現(xiàn)在可以將其電源功能傳達給 USB 供電的便攜式設(shè)備?，F(xiàn)在可以安全地為各種便攜式設(shè)備進行電池充電。最后，USB適配器仿真器的開發(fā)為USB端口的設(shè)計增加了重要的可配置性。

對于承諾充電的 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。在動態(tài)應用中，例如對計算機內(nèi)置 USB 端口的不同要求，主機適配器仿真器提供了簡化的設(shè)計。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的電壓電平，降低成本并節(jié)省空間。

審核編輯：郭婷