USB電源充電設(shè)計技巧與注意事項

摘要

幾乎所有目前和未來推出的手持設(shè)備都要求使用USB 電源和 AC 墻上適配器充電，這給電池充電帶來了諸多挑戰(zhàn)。本文中，我們將討論簡化 USB 充電的一些特性。具體而言，就是說哪些特性可以幫助用戶設(shè)計一種符合 USB 規(guī)范的應用？設(shè)計如何能夠同時支持 USB 和 AC 適配器輸入呢？我們將討論靜態(tài)電流、輸入電壓動態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 和輸入電流極限。下面就以 bq2407x 系列器件為例來說明一下這些特性。導言

消費者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來越少，并期望獲得通過計算機或 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。USB 要求給電池充電帶來了許多挑戰(zhàn)。使用同一條線纜的要求以及由此而來的 USB 和 AC 適配器單輸入都意味著系統(tǒng)必須能夠識別并使用兩種電源。本文中，我們以 bq2407x 系列器件為例來介紹簡化便攜式應用鋰離子 （Li-Ion） 電池充電系統(tǒng)設(shè)計的一些特性和規(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。這些特性簡化了便攜式應用的充電器設(shè)計。輸入電流極限

最公認的 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 的最低工作電壓，其電流極限設(shè)定在一個單位負載，即 USB1.x 和 2.0 下的 100mA。就超高速 （SuperSpeed） USB 而言，單位負載被增加到了 150mA。高功率電源是一些自供電的集線器或者計算機 USB 端口，其可提供最小工作電壓為 4.75V，擁有高達 5 個單位負載的電流，即 USB1.x 和 2.0 下每個端口 500mA，或者超高速 USB 下 6 個單位負載 （900mA）。所有設(shè)備默認均為低功率模式，但在枚舉主機時會要求高功率模式。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 適配器來運行。這些電源可提供高達 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，最終模式為掛起模式。USB 設(shè)備必須支持所有這四種模式，以達到 USB 規(guī)范。充電設(shè)備的輸入電流極限不能超出 USB 規(guī)范。這就是說您必須在產(chǎn)品說明書中找到技術(shù)說明規(guī)范以驗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，其清楚地標明了輸入電流極限規(guī)范。請注意，規(guī)范的最大數(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)。最大 USB 規(guī)范極限列出的典型值是不允許的，因為一些部件會超出這一值。如果最大數(shù)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)品說明書的輸入電流極限節(jié)選主機要求系統(tǒng)進入 USB 掛起模式時，規(guī)范極限為 2.5mA。

驅(qū)動 EN1 和 EN2 為高電平使得 bq2407x 進入 USB 掛起模式。這種模式下，靜態(tài)電流減少至 50μA（最大）。如果其他電路由 VBUS 電源供電運行，則這會給設(shè)計人員帶來較大的裕量。就待機模式電流規(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。請注意，在 USB 掛起模式 （EN1=EN2=HI） 下，最大靜態(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)品說明書的靜態(tài)電流部分節(jié)選USB 啟動問題

USB 2.0 規(guī)范規(guī)定“并聯(lián)一個單位負載時 （100mA），線纜下行端允許的最大負載 （CRPB） 為 10μF。10μF 電容代表一個 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。” ［1］。要對此進行測試，USB-IF 測試程序文檔 1.3 版描述為“USB 規(guī)范允許高達 10uF 硬啟動，其可形成 50.0uC 的最大浪涌電流值。” ［2］ 50μC 由公式 1 計算得到：我們?nèi)绾螌⑵渥優(yōu)殡娏鳂O限呢？安培單位為庫侖每秒。這就是說在啟動期間，電流極限以上的最大浪涌電流乘以電流極限以上的時間，所得結(jié)果必須小于 50μC。如公式 2 所示：請注意，IIN_AVG 代表浪涌電流期間的平均輸入電流。充電器設(shè)備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 的啟動情況。請注意，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)計人員不必擔心系統(tǒng)的電容值，因為 USB 電源絕不會出現(xiàn)這種電流。

圖 3 輸入電流啟動波形，EN1 = EN2 = GND， VBAT 《 VWEAKBATTbq2407x 的輸入電容要求為 1μF。

硬啟動 1μF 要求 5μC。這種啟動的系統(tǒng)電容為 47μF，其不能直接通過 USB 端口啟動。就輸入電流極限而言，硬啟動系統(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，因此首次啟動以后，便不會違反 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。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 時間內(nèi)以 100mA 啟動，則可能會出現(xiàn)問題。為了解決這個問題，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。一旦達到其弱電量電池閾值，立即要求設(shè)備上電并連接。” ［4］在弱電量電池閾值以上，假設(shè)電池足以為主機供電，因此主機開啟。每種應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簡單的電壓探測器使得設(shè)計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單解決方案。

圖 4 弱電量電池檢測實施必須對電壓探測器進行應用弱電量電池閾值設(shè)置。

例如，TPS3836 有數(shù)個有效閾值。另外，為了獲得最大的靈活性，一些電壓探測器提供了可調(diào)節(jié)閾值。就這種應用來說，重要的電壓探測器特性是一種有源低電平 RESET（VIN 《 VTHRESHOLD 時為低電平）推/拉輸出，這樣它便可以與主機輸出隔離。一旦主機出現(xiàn)，它便關(guān)閉電壓探測器，或者停止上拉。主機輸出的下拉力必須要大于將電壓探測器輸出與 EN1 和 EN2 隔離的一些電阻。圖 5 顯示了實施波形。將弱電量電池閾值設(shè)定為 3.3V。當插入 3.5V 電池時，其被識別為一塊狀態(tài)良好的電池，同時 EN1 和 EN2 被 TPS3836 拉為高電平。枚舉主機以后，主機拉低 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 HOST GPIO 為高阻抗。

圖 5 弱電量電池實施舉例基于輸入電壓的動態(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)備實施了基于輸入電壓的動態(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 保護情況下 USB 端口過負載的后果。請注意，當輸入電壓降至“電源良好”閾值以下時，充電器關(guān)閉。這樣會關(guān)閉電源的負載，并允許輸入電壓恢復，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 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 的輸入過載保護中國充電器標準

展望未來，中國針對在中國銷售的充電器適配器制定了一套標準，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。這種新的標準使用了許多 USB 規(guī)范。就這點而言，其要求適配器電源線有一個標準的 A 型 USB 連接器，以插入 AC 適配器或標準的 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，下游電路必須得到保護。許多電池充電器 IC 都具有幫助達到中國充電器標準的功能。顧名思義術(shù)語“通用充電器”，即充電器 IC 的輸入必須穩(wěn)健到能夠應對許多不同的電源，并且不再是只為單個特定適配器而進行設(shè)計。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 28V 的輸入瞬態(tài)電壓條件下為下游設(shè)備提供保護。這種高輸入電壓范圍和過壓保護 （OVP） 功能可保護電池充電器和下游設(shè)備免受錯誤或潛在有害輸入電源的損壞。VIN-DPM 特性還有助于達到中國充電器標準。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，如果 IC 編程為 500mA 輸入電流極限，則會使 300mA 適配器崩潰。VIN-DPM 功能可防止輸入在連接弱適配器時崩潰，而且仍然允許將電流極限針對典型適配器進行設(shè)置以最大化充電時間。

結(jié)論

消費者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來越少，并期望獲得通過計算機或 AC 插座充電的靈活性，因此要求許多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。這樣，手持設(shè)備就必須要符合 USB 規(guī)范。這些要求給電池充電帶來了諸多新的挑戰(zhàn)。本文中，我們使用了 bq2407x 系列器件來介紹一些輸入電流極限規(guī)范、靜態(tài)電流、輸入電壓動態(tài)電源管理 （VIN-DPM） 的例子，這些特性簡化了電池充電器的設(shè)計。另外，我們還探討了中國充電器標準對充電器設(shè)計的影響。我們簡要介紹的這些規(guī)范和特性簡化了充電器設(shè)計。