高效USB端口電池充電方案

USB為多種便攜設備提供了通過單個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充電能力相當有限;標準USB主機端口的電流確實只適合為計算機外設(比如鍵盤，鼠標和讀卡器)進行供電。USB2.0支持的供電電流可達500mA,可以為電池緩慢充電。與此同時，大家期待的是如何大幅縮短充電時間。

在這個環(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電流的專用充電接口(DCP)的概念。這幾乎是標準下行端口(SDP)USB2.0連接承載電流的4倍，從而能夠極大加快充電時間。

關于DCP

USB接口有4條屏蔽線。它們是：用于給連接外設供電的VBUS,負數據端D-,正數據端D+以及接地GND(圖1)。在DCP中，D+和D-通過一個200Ω電阻短接在一起，防止數據傳輸。它向連接外設指示，端口完全集中在充電功能，不能提供主控功能。通過USB端口進行連接的任何便攜設備能夠區(qū)分它是處于DCP或是SDP相當重要。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。

DCP識別

圖2給出了一個符合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)微處理器處理識別程序。這意味著微處理器的一部分有價值的處理能力不能投入核心應用，從而影響了系統(tǒng)的總體性能。此外，還需要采用相當多的器件，花費較多時間寫代碼和實現完全有效的整體電路設計。

圖2:傳統(tǒng)的USB電池充電線路。

飛特蒂亞(FTDI)公司致力于簡化USB充電，以便將開發(fā)時間、系統(tǒng)復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。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IC的內部電路使采用該芯片設計的便攜設備能夠檢測到何時設備連接到了DCP.一旦檢測到DCP,X-CHIP便在其某個CBUS引腳上發(fā)出一個信號，啟動充電。

圖3描述了基于X-CHIP的電池充電應用。電路在連接到USB主機端口或DCP的時候會為電池充電。CBUS引腳可用于控制電池充電率(取決于所檢測到的電源和相應的電流限值)。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:簡化的USB充電線路。

CBUS管腳包括BCD#、PWREN#和SLEEP#.BCD#是漏極開路低電平有效輸出信號。它用來指示X-CHIP何時被連接到DCP.PWREN#是漏極開路低電平有效輸出信號。它顯示X-CHIP已經被USB主控制器所列舉。該信號用于選擇PROG引腳上的電阻值，以便驅動500mA充電。SLEEP#是推挽式低電平有效輸出信號。它顯示X-CHIP何時進入USB掛起模式。該信號用于在設備由USB主機供電，主控端將X-CHIP設置為掛起模式時，切斷LTC4053電源。

在圖3中，LT4053的PROG引腳的阻抗由電阻R12,R13和R14設置。BCD#用于配置PROG引腳的電阻網絡以達到約1A的充電電流。

BCD#,PWREN#和SLEEP#輸出設計是為了將充電應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驅動BCD#信號來指示DCP的檢測。漏極開路輸出將R14短路到地，從而LTC4053 PROG引腳的阻抗將為16.5k?與1.5k?電阻并聯到地。這能夠觸發(fā)將近1A的充電電流。當X-CHIP連接到標準USB主控制器時，這個引腳不會驅動，設備作為一個傳統(tǒng)的USB接口芯片來工作。由于BCD#信號是沒有內部上拉的漏極開路輸出，它可用來將電阻R14下拉到地，而不需要使用任何外部MOSFET.

在設備啟動時，CBUS引腳默認為輸入，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

得益于USB的廣泛應用，USB端口顯然是便攜式設備獲取電源的便利之所，通過單獨互連便可以提供10W功率，供應給各種不同的設備。而且，各國(包括中國和歐盟成員國)USB充電標準化的推行使消費者能夠采用更少的充電電纜。這將在增加便利的同時，減少每年進入環(huán)境的電子廢物的數量(這主要是由定制適配器產生的)。通過使用集成方式而不是依賴于分立器件，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字互聯線，而且是電子產品供電和電池充電的關鍵系統(tǒng)部件。