電池充電新方法――USB

引言

　　通用串行總線（USB）端口是一種帶有電源和地的雙向數(shù)據(jù)端口。USB可以連接所有類型的外圍設(shè)備，包括外部驅(qū)動器、存儲設(shè)備、鍵盤、鼠標(biāo)、無線接口、攝像機和照相機、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。對于電池充電設(shè)計來說，應(yīng)用廣泛的USB既帶來了機遇，也帶來了挑戰(zhàn)。本文闡述了如何將一個簡單的電池充電器與USB電源進行接口。文章回顧了USB電源總線的特性，包括電壓、電流限制、浪涌電流、連接器以及電纜連接問題。同時介紹了鎳氫電池（NiMH）和鋰電池技術(shù)、充電方法以及充電終止技術(shù)。給出了一個完整的示例電路，用于實現(xiàn)USB端口對NiMH電池智能充電，并給出了充電數(shù)據(jù)。

　　1 USB特性

　　USB總線能夠為低功耗電子設(shè)備提供電源?？偩€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，同時負(fù)載和主機或電源之間存在潛在的互操作問題。

　　USB端口由90Ω雙向差分屏蔽雙絞線、VBUS （+5V電源）和地組成。這4條線由鋁箔內(nèi)屏蔽層和編織網(wǎng)外屏蔽層進行屏蔽。最新的USB規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是2.0版，可以從USB組織免費獲得。要做到完全符合該規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，需要通過一個功能控制器來實現(xiàn)設(shè)備和主機間的雙向通信。規(guī)范定義了1個單位負(fù)載為100mA （最大）。任何設(shè)備允許吸取的最大電流為5個單位負(fù)載。

　　USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類，低功率端口可提供1個單位負(fù)載的電流，大功率端口可最多提供5個單位負(fù)載的電流。當(dāng)設(shè)備剛連接到USB端口時，枚舉過程對器件進行識別，并確定其負(fù)載要求。在此過程中，只允許設(shè)備從主機吸取最多1個單位負(fù)載的電流。枚舉過程完成后，如果主機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。

　　某些主機系統(tǒng)（包括下游USB集線器）通過保險絲或者有源電流檢測器提供限流功能。如果USB設(shè)備未經(jīng)過枚舉過程便從USB端口吸取大電流（超過1個單位負(fù)載），則主機會檢測到過流狀態(tài)，并會關(guān)閉正在使用的一個或多個USB端口。市場上供應(yīng)的許多USB設(shè)備，包括獨立電池充電器，都沒有功能控制器來處理枚舉過程，但吸取的電流卻超過了100mA。在這種不恰當(dāng)?shù)臈l件下，這些設(shè)備可能導(dǎo)致主機出現(xiàn)問題。例如，如果一個吸取500mA電流的設(shè)備插入總線供電的USB集線器，而且未進行正確的枚舉過程，則可能導(dǎo)致集線器端口和主機端口同時過載。

　　主機操作系統(tǒng)采用高級電源管理時情況會更加復(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，計算機會向USB設(shè)備發(fā)出掛起命令，而后則認(rèn)為設(shè)備進入了低功耗模式。設(shè)備中包含一個能與主機進行通信的功能控制器始終是一個比較好的做法，即使對于低功耗設(shè)備來說也是如此。

　　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供電的集線器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計算機或者自供電USB集線器在內(nèi)的主機，都具有大電流端口，可提供最大500mA的電流。無源、總線供電的USB集線器具有低電流端口。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) Parameter Requirement

　　*這些指標(biāo)適用于上游端主機或集線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)范的主機中，大功率端口的上游端具有120?F、低ESR電容。所連接的USB設(shè)備的輸入電容限制在10?F以內(nèi)，在最初的負(fù)載連接階段，允許負(fù)載從主機（或自供電集線器）吸取的最大電荷數(shù)為50?C。這樣一來，當(dāng)新設(shè)備連接至USB端口時，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，以保證對更大的電容充電時電流不會超過100mA。