為便攜式設備可靠供電開發(fā)拓寬USB功能

4.2 方案分析

圖5所示電路中，設備(系統(tǒng))負載何時與USB電源或交流適配器連接? USB電源和交流適配器何時開始對電池充電?同時,又要你保證系統(tǒng)負載能一直保持與電池相連，在此例中通過一個最大可提供200mA電流的簡單的線性穩(wěn)壓器(IC2 MAX8881)來解決。如果系統(tǒng)持續(xù)消耗如此大的電流，而通過USB對電池充電電流只是100mA，最終電池還是會因負載電流大于充電電流而放電。在許多小型系統(tǒng)中，負載峰值電流僅在整個工作期間的部分時段發(fā)生。因此，只要平均負載電流小于充電電流，電池仍然會被充電。連接交流適配器時，充電器(IC1)的最大電流上升到350mA。如果USB與交流適配器同時連接，但應自動給予交流適配器優(yōu)先權。

USB規(guī)范要求充電器(IC1)具備的一個特性(而且，一般來講對于充電器也是有利的)是電流不允許從電池或另一個電源回流到USB電源輸入端。在傳統(tǒng)的充電器中，可通過輸人二極管保證，但USB最小電壓為4.35V(由USB功率簡述得知)與Li+電池充電所需電壓(4.2V)之間差異太小，以致肖特基二極管也不適用。因此，所有回流路徑應在IC1的內(nèi)部被阻止。

圖5所示電路在應用上受到一些限制，也許不適用于某些可充電的USB設備。最明顯的限制是相對較低的充電電流，如果Li+電池的容量大于幾百毫安時(mAH)，充電時間就會很長。第二個限制是由于基本充電器的負載(指線性穩(wěn)壓器的輸入)總是與電池相連(即圖5中Li+電池與MAX8881的IN端相連)。這樣,如果電池已深度放電，則負載設備加電時也許不能立即開始工作。這是因為電池達到負載設備工作所需的電壓前有一定的延遲時間。

5、改進技術: 充電器充電電流和外圍電路的改進.

在更先進的系統(tǒng)中，需要對充電器內(nèi)部和外圍電路進行多處改進，這些改進可能包括：可選的充電電流，以便與USB電源或交流適配器或電池的電流能力相匹配;USB電源接人時的負載切換;以及過壓保護。

5.1 改進技術方案(見圖6所示的電).

在圖6所示的電路中，就是利用充電器IC1內(nèi)部的電壓監(jiān)測器(充電控制器)驅(qū)動外部MOSFET Q3(FDN302)來實現(xiàn)了上述的改進功能。

5.2 改進技術的實現(xiàn)

MOSFET Q1(FDN302)和Q2(FDN302)以及二極管D1和D2繞過電池，直接將可用的電源(USB電源輸入或DC電源輸入-交流適配器轉(zhuǎn)換而成)連接到負載。當某個電源(USB或DC電源輸入)輸人有效時，其監(jiān)視輸出　變低，相應的MOSFET管導通。當兩個輸入都有效時，DC輸入優(yōu)先使用。IC1可防止兩個輸人同時被使用。二極管D1和D2用來阻斷系統(tǒng)負載供電通路與輸入之間的反向電流。而充電器內(nèi)部電路((由充電控制器及其控制的和二只場MOS管)可以阻斷充電通路(BATT)的反向電流。

MOSFET Q2還可提供交流適配器過壓保護，保護電壓最高達18V。欠壓/過壓監(jiān)視器(在DC端)只允許交流適配器電壓在4V至6.25V之間時對電池充電。

最后一個MOSFET Q3，在沒有有效的外部電源(即USB電源輸入或DC電源輸入)接人時導通，用電池向負載設備供電。當USB電源或DC電源任何一個接人時，“電源通”(PON)輸出立即關閉Q3，將電池與負載設備斷開。這樣當有外部電源接人時，即使電池深度放電或已損壞，系統(tǒng)仍能立即開始工作。

5.3 完善與實用

一旦USB設備與主機連接時，先與主機通信決定負載電流是否可以增加，如果被允許，負載電流可以從開始時的一個單位負載上升到五個單位負載。5比1的電流范圍對不是專為USB設計的傳統(tǒng)充電器來說可能會有問題。而其問題在于傳統(tǒng)充電器的電流精度，盡管在高電流時精度足夠，但在低電流時會受到電流傳感電路失調(diào)的影響。結(jié)果可能是為了保證充電電流在低端(一個單位負載)不超過100mA限制，電流必須被設置在非常低的水平，從而導致無法使用。例如，對于精度為10%的500mA電流，為了保證不超過500mA，輸出只能設置為450mA。僅就這一點而言還是可以接受的，但是，為了保證在低端的充電電流不超過100mA，平均電流只能設置成50mA。最低值可能會低至OmA，顯然這是無法接受的。如果要求USB充電在兩個范圍內(nèi)都有效，就需要有足夠的精度，以便提供盡可能大的充電電流，同時又不超越USB的限制。

在一些設計中，由于系統(tǒng)功率需求的關系，不可能用低于500mA的USB預算功率分別對負載供電和對電池充電。但是，使用了交流適配器就沒有問題。

* 一個高性價比的方案的出現(xiàn)

用一個高性價比的方案可滿足這一需求,即只需將圖6電路作一簡化:將圖6電路中與系統(tǒng)負載相連的Q1、D1及連線去掉,這樣USB電源并不直接與負載連接,僅與MAX1874的USB引腳相連;從MAX1874的BATT引腳再通過二極管D(MBR0520L)與系統(tǒng)負載相連;充電和系統(tǒng)運行仍然使用USB電源，但系統(tǒng)保持與電池連接。此設計的局限性與圖5所示電路相同,即如果USB接人時電池已深度放電，系統(tǒng)要經(jīng)過一定延遲才能正常工作。但如果連接DC電源，該方案電路能夠以同圖6電路一樣的方式工作，無論電池狀態(tài)如何都不需等待。這是因為與MAX1874 “電源”通”引腳(PON)相連接的MOSFET 管Q(類似圖6中的MOSFET Q3)被關斷，系統(tǒng)負載由電池切換到了通過二極管D(類似圖6中的D2)DC輸人上。

* 這樣一個簡化又完善與實用的設計方案出現(xiàn),使USB電源并不與負載相連,但DC輸入與負載相連.當連接USB電源時,系統(tǒng)仍然采用電池供電.同時電池又被充電.

6、鎳氫電池充電

盡管Li+電池能為大多數(shù)便攜式信息終端提供最佳性能，但鎳氫(NiMH)電池仍為最低成本的設計提供了一個可行的選擇。當負載要求不太高時，使用鎳氫電池是一個降低成本的好方法。這需要使用一個DC-DC轉(zhuǎn)換器將1.3V的電池電壓升至設備可使用的電壓，典型為3.3V。因為任何電池供電設備都需要某種類型的穩(wěn)壓器，而DC-DC僅是一種不同類型的穩(wěn)壓器，并不是額外增加的。

圖7所示電路使用了一種不尋常的方法來對NiMH電池充電，并且在不使用外接FET的情況下，在USB輸入和電池之間切換對系統(tǒng)負載的供電。“充電器”實際上是一個電流受限的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器(IC1)，它用300mA至400mA的電流對電池充電。盡管不是一個精確的電流源，但其適度的電流控制精度仍能滿足充電要求，即使電池短路也能保持對電流的控制。使用DC-DC充電與常見的線性電路相比，一個很大的優(yōu)越性就在于能夠高效地利用有限的USB功率。當以400mA電流對—節(jié)NiMH電池充電時，電路僅從USB輸入端汲取150mA的電流。在充電的同時留出了350mA電流可供系統(tǒng)使用。負載由電池到USB的切換，是通過USB電源與boost轉(zhuǎn)換器(IC2為DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器)輸出之間用二極管(Di)“或”實現(xiàn)的。當USB斷開時，boost轉(zhuǎn)換器IC2產(chǎn)生3.3V輸出。USB連接時，D1將DC-DC升壓器(IC2)輸出拉升至約4.7V.IC2輸出被拉升時會自動關斷，關斷后從電池汲取的電流不超過1µA。如果不允許接人USB時輸出從3.3V變成4.7V，可用一個線性穩(wěn)壓器與D1串聯(lián)。

此電路的一個局限是要依賴系統(tǒng)控制結(jié)束充電。IC1僅作為一個電流源，如果不加限制，會對電池過度充電。R1和R2設置IC1最大輸出電壓為2V，作為一個安全界限。充電能使輸入端被系統(tǒng)用來終止對電池充電。另外，因為150mA的充電器輸入電流大于一個單位負載，如果需要，在枚舉之前還可作為降低USB負載電流的手段。

7、結(jié) 語

以上開的開發(fā)拓寬USB接口的電源功能與從USB接口獲得多種電源(3.V與5V的電源)方案介紹,實際上是充分應用USB電源功能為數(shù)字化便攜式設備Li+或鎳氫(NiMH)電池充電特性分折,該設計技術既復雜亦可簡單,這取決于USB接口的電源類型、功率與扦入USB設備負載及其電池性能等多方面的配合使用,即究竟采用何種應用方案能獲得最佳性價比,是要根據(jù)各便攜式設備實際情況而定.