如何設(shè)計(jì)符合中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)充電器接口

　　中國曾于06年12月14日頒布了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1591－2006，即移動(dòng)通信終端設(shè)備的充電器和接口技術(shù)要求及測試方法。

　　制定這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的目的是因?yàn)槭謾C(jī)更新?lián)Q代和消費(fèi)者更換手機(jī)的頻率越來越快，而不同手機(jī)充電器技術(shù)指標(biāo)和接口不同，無法互換使用，消費(fèi)者更換手機(jī)后造成舊充電器閑置浪費(fèi)，不僅增加了消費(fèi)者使用手機(jī)的成本，還會(huì)造成環(huán)境污染。通過制定手機(jī)充電器統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，使得不同品牌、不同型號(hào)的手機(jī)可以共用充電器，消費(fèi)者在購買新手機(jī)時(shí)仍可使用舊充電器，從而降低手機(jī)的使用成本。

1. YD/T1591-2006標(biāo)準(zhǔn)的新要求

　　從交流適配器到手機(jī)之間的連線傳統(tǒng)上是交流適配器的一部分，如圖1所示。

　　新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在第四節(jié)“技術(shù)要求”中明確要求使用一段獨(dú)立的連接線纜，一端是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的USB A型插頭，用來和交流適配器標(biāo)準(zhǔn)的USB A型插座連接。而用來連接手機(jī)的線纜另一端則由手機(jī)廠商自行設(shè)計(jì)。如圖2所示。

　　由于連接線纜的一端為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的USB A型插頭，手機(jī)消費(fèi)者可以根據(jù)自己的意愿來為他們的手機(jī)選擇符合新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交流適配器，諾基亞的手機(jī)用戶可以選配摩托羅拉或三星的交流適配器，反之亦然。交流適配器可以僅作為選配件銷售，這樣用戶再次購買新手機(jī)時(shí)就可以不用選購新的交流適配器了。

圖1

圖2 USB連接線纜示意圖

　　統(tǒng)一交流適配器標(biāo)準(zhǔn)之后，手機(jī)用戶的一個(gè)新選擇是當(dāng)交流適配器不在身邊而手機(jī)需要充電時(shí)，可以直接將連接線纜的USB插頭一端插入PC機(jī)的USB端口，利用PC機(jī)來為手機(jī)充電。但由于USB2.0規(guī)范中對(duì)利用USB端口對(duì)外供電有與新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不同的要求，為了區(qū)分PC機(jī)的USB端口和交流適配器，新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定交流適配器USB插座中兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳D+和D-必須在適配器內(nèi)部短接，如圖3所示。

圖3

對(duì)于交流適配器的其它要求還包括:

• 額定輸入電壓范圍: 100 ~240VAC±10%, 50/60Hz
• 額定輸出電壓: 5VDC±5%
• 額定輸出電流: 300mA ~ 1800mA
• 輸出電壓與電流的關(guān)系如圖4所示：

圖4 輸出電流與輸出電壓的關(guān)系

對(duì)于手機(jī)的要求如下:

• 輸入電壓范圍: 5VDC±5%
• 最大消耗電流: 1800mA
• 輸入電壓高于6VDC時(shí)啟動(dòng)過壓保護(hù)

2. USB2.0規(guī)范中對(duì)USB供電的要求

　　由于存在利用PC機(jī)USB端口給手機(jī)充電的可能性和發(fā)展趨勢(shì)，我們還需要了解USB2.0規(guī)范(參見 http://www.usb.org/developers/docs/ )中針對(duì)USB供電還有哪些要求。

　　在USB2.0規(guī)范第7.2節(jié)中將手機(jī)這類通過USB主機(jī)端口Vbus引腳取電的設(shè)備統(tǒng)稱為總線供電設(shè)備。未經(jīng)主機(jī)軟件允許，所有的總線供電設(shè)備從USB端口吸取的電流都不能超過100mA (在USB2.0規(guī)范中，100mA被定義為一個(gè)“單元負(fù)載”)，如果總線供電設(shè)備希望從USB端口吸取更多的電流，則需同USB主機(jī)進(jìn)行軟件協(xié)商，如果主機(jī)有能力提供更多的電流，會(huì)通知總線供電設(shè)備將其吸取的電流提高到大于100mA，但最大不能超過500mA。該過程也是在USB2.0規(guī)范第9.1.2節(jié)中定義的“總線枚舉”的一部分。

　　另一個(gè)有別于交流適配器的地方是加在USB收發(fā)器D+和D-引腳上的上拉和下拉電阻。在USB主機(jī)側(cè)，D+和D-分別被14.75kΩ至24.8kΩ的電阻下拉至地。在USB從機(jī)側(cè)，D+和D-上的1.5kΩ上拉電阻位置用來表示從機(jī)支持的數(shù)據(jù)速率，D+被上拉代表全速USB，而D-被上拉則代表低速USB，如圖5所示：

圖5 全速和低速器件電纜和電阻連接

3. 目前手機(jī)中的電源通道管理方案

　　針對(duì)新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)手機(jī)的要求，業(yè)內(nèi)手機(jī)廠商分別開發(fā)了不同手機(jī)電源通道管理方案。這通常需要兩個(gè)步驟，第一步是當(dāng)手機(jī)的USB端口Vbus引腳上出現(xiàn)一個(gè)5V電壓時(shí)，準(zhǔn)確區(qū)分接入的是交流適配器還是PC機(jī)的USB端口，在得出結(jié)論前，禁止從Vbus取電。為了判斷是交流適配器還是PC機(jī)的USB端口，一些廠商通過基帶芯片組內(nèi)置的ADC來檢測D+和D-的電壓，進(jìn)而判斷USB的D+和D-引腳是否短路，還有一些廠商則首先啟動(dòng)一次USB握手通信，如果通信失敗，則認(rèn)為對(duì)端是交流適配器。

　　第二步是決定最大從Vbus引腳吸取多少電流。如果線纜的另一端是USB端口，為了避免與USB2.0規(guī)范產(chǎn)生沖突，有些廠商將手機(jī)吸取的最大電流嚴(yán)格限制在100mA以內(nèi)，以符合USB2.0規(guī)范7.2.1.3節(jié)中對(duì)低功耗總線供電設(shè)備的要求。但也有一部分廠商想當(dāng)然的認(rèn)為PC機(jī)的USB端口肯定能夠提供500mA電流，并沒有按照USB2.0規(guī)范7.2.1.4節(jié)中要求的那樣分步提高吸取電流，而是在USB枚舉之前就將最大吸取電流設(shè)為500mA。如果線纜一端是交流適配器，則最大電流限制通常會(huì)保證鋰電池芯片的最大充電速率。

　　以上這些方案的缺點(diǎn)是，當(dāng)手機(jī)連接電纜的另一端連接到PC機(jī)USB端口時(shí)，

• 如果總是將最大吸取電流設(shè)為100mA，電池的充電時(shí)間會(huì)被延長數(shù)倍。如果手機(jī)仍在工作并持續(xù)消耗電流，電池有可能一直都不會(huì)被充滿。
• 如果一開始就將最大吸取電流設(shè)為500mA，實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)發(fā)生過一些PC機(jī)USB端口被燒毀的情況 。

4. 兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YD/T 1591-2006”和USB2.0的手機(jī)電源通道管理IC

　　Maxim的MAX8606是一個(gè)全功能的手機(jī)電源通道管理芯片，集成了單節(jié)鋰電池充電功能和電源通道選擇功能，既兼容于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YD/T1591-2006”又兼容于USB2.0規(guī)范。

　　MAX8606原理圖如圖6所示，Vbus的電流限制可以簡單的通過兩個(gè)GPIO來設(shè)置，電流限制分為三檔，包括符合USB2.0規(guī)范的100mA和500mA，另一個(gè)通過外部電阻(RSETI)編程設(shè)定，以適應(yīng)不同的交流適配器。

圖6 MAX8606原理圖

　　MAX8606還可以將從Vbus吸取的電流在系統(tǒng)供電和電池充電之間動(dòng)態(tài)分配，并優(yōu)先保證系統(tǒng)供電，如果交流適配器或PC機(jī)USB端口的電流輸出能力有限而不能同時(shí)保證系統(tǒng)供電和電池快速充電，或系統(tǒng)功耗突然增加，則電池快充電流被自動(dòng)降低以保證系統(tǒng)正常供電。另外，MAX8606的系統(tǒng)輸出端被限制在4.2V以下，符合鋰電池額定輸出電壓范圍。

一個(gè)兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“YD/T 1591-2006”和USB2.0規(guī)范的手機(jī)開機(jī)上電過程如下所述：

• 手機(jī)開機(jī)上電前，通過兩個(gè)缺省輸出為低電平的GPIO將MAX8606設(shè)為100mA的限流模式以滿足USB2.0低功耗總線供電設(shè)備的需求。
• 當(dāng)MAX8606 POK輸出低電平，代表從Vbus接入有效的電源后，手機(jī)啟動(dòng)USB D+/D-的短路檢測。為了防止電池低電壓或沒有安裝電池，RF功能和顯示功能此時(shí)盡量不要啟動(dòng)以避免系統(tǒng)功耗超過100mA的缺省電流限制。
• 手機(jī)基帶電路可以通過測量USB D+和D-的電壓或簡單的啟動(dòng)一次USB通信來檢測連接Vbus的另一側(cè)是交流適配器還是PC機(jī)的USB端口。
• 如果另一側(cè)是交流適配器，MAX8606被設(shè)為電阻編程的限流模式。如果另一側(cè)是USB端口，則需啟動(dòng)一次USB枚舉過程來向主機(jī)請(qǐng)求使用最大不超過500mA(在USB2.0規(guī)范中被定義為5個(gè)單位負(fù)載)的電流，被允許后MAX8606即可被設(shè)為500mA限流模式。

作者：韓澤

現(xiàn)場應(yīng)用工程師

美信集成產(chǎn)品公司