高效USB端口電池充電方案

USB為多種便攜設(shè)備提供了通過(guò)單個(gè)通用電源充電的手段，從而更加方便。但是這方面也存在著許多挑戰(zhàn)。以前的USB充電能力相當(dāng)有限;標(biāo)準(zhǔn)USB主機(jī)端口的電流確實(shí)只適合為計(jì)算機(jī)外設(shè)(比如鍵盤(pán)，鼠標(biāo)和讀卡器)進(jìn)行供電。USB2.0支持的供電電流可達(dá)500mA,可以為電池緩慢充電。與此同時(shí)，大家期待的是如何大幅縮短充電時(shí)間。

在這個(gè)環(huán)境下，2011年初推出的1.2版USB充電規(guī)范，提出了新的供電模式，增加了為設(shè)備電池充電的靈活性。本文將介紹可支持最大1.8A電流的專(zhuān)用充電接口(DCP)的概念。這幾乎是標(biāo)準(zhǔn)下行端口(SDP)USB2.0連接承載電流的4倍，從而能夠極大加快充電時(shí)間。

關(guān)于DCP

USB接口有4條屏蔽線(xiàn)。它們是：用于給連接外設(shè)供電的VBUS,負(fù)數(shù)據(jù)端D-,正數(shù)據(jù)端D+以及接地GND(圖1)。在DCP中，D+和D-通過(guò)一個(gè)200Ω電阻短接在一起，防止數(shù)據(jù)傳輸。它向連接外設(shè)指示，端口完全集中在充電功能，不能提供主控功能。通過(guò)USB端口進(jìn)行連接的任何便攜設(shè)備能夠區(qū)分它是處于DCP或是SDP相當(dāng)重要。這樣使它能夠利用更大的可用充電電流。

圖1:DCP與SDP的不同點(diǎn)。

DCP識(shí)別

圖2給出了一個(gè)符合1.2版USB充電規(guī)范的充電電路的例子。它包括大量的分立器件，要求系統(tǒng)微處理器處理識(shí)別程序。這意味著微處理器的一部分有價(jià)值的處理能力不能投入核心應(yīng)用，從而影響了系統(tǒng)的總體性能。此外，還需要采用相當(dāng)多的器件，花費(fèi)較多時(shí)間寫(xiě)代碼和實(shí)現(xiàn)完全有效的整體電路設(shè)計(jì)。

圖2:傳統(tǒng)的USB電池充電線(xiàn)路。

飛特蒂亞(FTDI)公司致力于簡(jiǎn)化USB充電，以便將開(kāi)發(fā)時(shí)間、系統(tǒng)復(fù)雜性和工程資源的利用降低到最低限度，以獲取最大的投資回報(bào)。這樣便引出了X-CHIP系列USB控制器IC,其主要特征是支持USB電池充電的新概念。每個(gè)IC的內(nèi)部電路使采用該芯片設(shè)計(jì)的便攜設(shè)備能夠檢測(cè)到何時(shí)設(shè)備連接到了DCP.一旦檢測(cè)到DCP,X-CHIP便在其某個(gè)CBUS引腳上發(fā)出一個(gè)信號(hào)，啟動(dòng)充電。

圖3描述了基于X-CHIP的電池充電應(yīng)用。電路在連接到USB主機(jī)端口或DCP的時(shí)候會(huì)為電池充電。CBUS引腳可用于控制電池充電率(取決于所檢測(cè)到的電源和相應(yīng)的電流限值)。電池的充電率由連接到凌力爾特公司(Linear)電池充電控制器LTC4053的PROG引腳的電阻決定。

圖3:簡(jiǎn)化的USB充電線(xiàn)路。

CBUS管腳包括BCD#、PWREN#和SLEEP#.BCD#是漏極開(kāi)路低電平有效輸出信號(hào)。它用來(lái)指示X-CHIP何時(shí)被連接到DCP.PWREN#是漏極開(kāi)路低電平有效輸出信號(hào)。它顯示X-CHIP已經(jīng)被USB主控制器所列舉。該信號(hào)用于選擇PROG引腳上的電阻值，以便驅(qū)動(dòng)500mA充電。SLEEP#是推挽式低電平有效輸出信號(hào)。它顯示X-CHIP何時(shí)進(jìn)入U(xiǎn)SB掛起模式。該信號(hào)用于在設(shè)備由USB主機(jī)供電，主控端將X-CHIP設(shè)置為掛起模式時(shí)，切斷LTC4053電源。

在圖3中，LT4053的PROG引腳的阻抗由電阻R12,R13和R14設(shè)置。BCD#用于配置PROG引腳的電阻網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到約1A的充電電流。

BCD#,PWREN#和SLEEP#輸出設(shè)計(jì)是為了將充電應(yīng)用的外部電路最小化。通常，外部MOSFET器件需要選擇范圍。正如前文所提，X-CHIP驅(qū)動(dòng)BCD#信號(hào)來(lái)指示DCP的檢測(cè)。漏極開(kāi)路輸出將R14短路到地，從而LTC4053 PROG引腳的阻抗將為16.5k?與1.5k?電阻并聯(lián)到地。這能夠觸發(fā)將近1A的充電電流。當(dāng)X-CHIP連接到標(biāo)準(zhǔn)USB主控制器時(shí)，這個(gè)引腳不會(huì)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備作為一個(gè)傳統(tǒng)的USB接口芯片來(lái)工作。由于BCD#信號(hào)是沒(méi)有內(nèi)部上拉的漏極開(kāi)路輸出，它可用來(lái)將電阻R14下拉到地，而不需要使用任何外部MOSFET.

在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，CBUS引腳默認(rèn)為輸入，并具有微弱的上拉，直到讀取MTP ROM.這將發(fā)生將近14ms時(shí)間，之后，CBUS引腳將采用它們所選的功能，像本文中所描述的那樣工作。

本文小結(jié)

得益于USB的廣泛應(yīng)用，USB端口顯然是便攜式設(shè)備獲取電源的便利之所，通過(guò)單獨(dú)互連便可以提供10W功率，供應(yīng)給各種不同的設(shè)備。而且，各國(guó)(包括中國(guó)和歐盟成員國(guó))USB充電標(biāo)準(zhǔn)化的推行使消費(fèi)者能夠采用更少的充電電纜。這將在增加便利的同時(shí)，減少每年進(jìn)入環(huán)境的電子廢物的數(shù)量(這主要是由定制適配器產(chǎn)生的)。通過(guò)使用集成方式而不是依賴(lài)于分立器件，能夠創(chuàng)建空間、器件和工程資源方面更優(yōu)的充電電路。USB不僅是最受歡迎的數(shù)字互聯(lián)線(xiàn)，而且是電子產(chǎn)品供電和電池充電的關(guān)鍵系統(tǒng)部件。