USB電池充電基礎(chǔ)：應(yīng)急指南

　　內(nèi)置過(guò)壓和極性反接保護(hù)

　　盡管USB充電規(guī)范對(duì)電源適配器和充電器進(jìn)行了一定程度的強(qiáng)制要求，但是針對(duì)便攜設(shè)備的USB設(shè)計(jì)仍然比較混亂，尤其是那些選擇使用普通圓形插頭作為電源的應(yīng)用(只使用適配器或者是雙輸入設(shè)備非常普遍)。用戶極容易使用“隨手找到”的、但輸出電壓甚至極性是錯(cuò)誤的適配器。通過(guò)在充電器電源輸入端集成正、負(fù)22V保護(hù)，MAX8900能夠減輕設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)：無(wú)需外部保護(hù)器件或MOSFET開(kāi)關(guān)(圖11)。

圖11. 具有±22V過(guò)壓和極性反接保護(hù)的直接連接開(kāi)關(guān)模式充電器

　　MAX8900是一款直接連接充電器，系統(tǒng)通常連接至電池。其3.25MHz開(kāi)關(guān)頻率允許使用非常小的外圍器件，并提供高達(dá)1.2A的充電電流，熱耗非常低。除了雙極性輸入保護(hù)外，還根據(jù)JEITA規(guī)定，按照溫度的變化調(diào)整充電參數(shù)。

　　通過(guò)USB為NiMH電池充電

圖12. USB供電的單節(jié)NiMH電池開(kāi)關(guān)模式充電器

　　雖然表面上Li+電池已經(jīng)占據(jù)整個(gè)便攜世界，但NiMH電池并沒(méi)有被完全遺棄。令人吃驚的是，盡管單位重量的能量仍然有較大差距，但其單位體積的能量?jī)H比Li+電池低大約15%。NiMH電池的最大缺點(diǎn)是自放電率較高，混合型NiMH電池在很大程度解決了這一問(wèn)題，例如SANYO? Eneloop?電池，靜態(tài)下一年之后仍然能夠保留85%的電量。NiMH電池的吸引力在于成本低、安全性高、用戶更換方便等，至少標(biāo)準(zhǔn)電池具備這些優(yōu)勢(shì)。

　　圖12所示便攜設(shè)備由一節(jié)AA型NiMH電池供電，利用USB充電。DS2710充電器開(kāi)關(guān)頻率大約為150kHz，電池充電電流為1.1A (典型AA型NiMH電池在大約0.5°C條件下)。由于降壓轉(zhuǎn)換器將5V、500mA轉(zhuǎn)換成電池充電時(shí)的1.5V、1.1A，電路供給電池的電流(1.1A)大于從USB接口獲得的電流(500mA)。需要注意的是，由于在低充電速率下不能正確判斷充電終止，只能采用500mA或更大功率的端口進(jìn)行充電。所以，當(dāng)枚舉確定只有100mA電流可用時(shí)，不應(yīng)激活充電。系統(tǒng)通過(guò)關(guān)閉TMR上的Q2，使定時(shí)器電阻懸空，停止充電。

　　該充電器另外一項(xiàng)特別有用的功能是：通過(guò)檢測(cè)電池阻抗確定接入的是否為堿性電池或故障電池，檢測(cè)到這種狀況時(shí)將禁止充電。這就允許用戶在緊急情況下插入堿性電池，無(wú)需擔(dān)心意外充電。

　　USB 3.0

　　USB 3.0規(guī)范進(jìn)一步提高了USB的數(shù)據(jù)速率。規(guī)范在電源方面與USB 2.0相似，只不過(guò)“單位負(fù)載”從100mA增大至150mA，大功率端口不得不提供6個(gè)(而不是5個(gè))單位負(fù)載。這就意味著低功率USB 3.0端口可提供150mA電流，大功率USB 3.0端口可提供900mA電流。

　　“假象”—非標(biāo)準(zhǔn)USB充電

　　與所有增加的不同于原始應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)一樣，制造商有時(shí)為了提供至少受限的充電架構(gòu)而忽略了USB 2.0規(guī)范的部分要求。通常這種非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在任何條件下吸收的電流都不大于100mA，所以，無(wú)論是大功率還是低功率集線器都不會(huì)過(guò)載。將電流限制在這一水平的缺點(diǎn)是電池充電時(shí)間較長(zhǎng)，但如果設(shè)備在大部分時(shí)間都連接至USB端口，或許仍可接受。除了充電時(shí)間較長(zhǎng)外，這種方式還有另外一個(gè)局限性：如果系統(tǒng)電池已完全放電，啟動(dòng)所有系統(tǒng)功能須延遲到電池達(dá)到足夠電量的水平。

　　非標(biāo)準(zhǔn)充電的另一方面涉及到USB掛起的處理。USB 2.0規(guī)定所有設(shè)備在一定周期內(nèi)沒(méi)有總線操作時(shí)必須掛起(吸收電流小于2.5mA)。由于編制該規(guī)范時(shí)沒(méi)有包括充電，所以沒(méi)有考慮設(shè)備在關(guān)閉時(shí)繼續(xù)保持電池充電的情況。然而，由于大多數(shù)USB主機(jī)實(shí)際并不關(guān)閉電源，這種違反規(guī)范的操作也很少妨礙充電。

　　非標(biāo)準(zhǔn)充電假設(shè)可以獲得500mA電流，指示用戶插入到能夠提供500mA電流的電源端口和集線器。如上所述，由于大多數(shù)USB端口不關(guān)閉電源，這種方法在大多數(shù)情況下有效。當(dāng)這樣的設(shè)備插入到不支持500mA電流的端口時(shí)，端口將按規(guī)定關(guān)斷。然而，USB端口的過(guò)載狀況并非任何情況下都給出了清晰的定義，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位或損壞。幸運(yùn)的是，電池充電已經(jīng)是USB規(guī)范的一個(gè)有機(jī)組成部分，所以不再需要如此的冒險(xiǎn)操作。

　　結(jié)論

　　USB充電具有多種形式，取決于不同USB設(shè)備的獨(dú)特要求。USB電池充電規(guī)范1.1版最終對(duì)之前的許多充電操作進(jìn)行了規(guī)范。隨著B(niǎo)C1.1標(biāo)準(zhǔn)的普及，將會(huì)降低制造商和消費(fèi)者的成本。該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的普及也會(huì)提高系統(tǒng)的互操作性。盡管如此，USB規(guī)范也僅僅規(guī)定了從端口獲取多大功率，仍然將電源管理架構(gòu)和充電規(guī)范留給用戶去判讀。這正是Maxim各種充電器件的用武之地，它們能夠?yàn)閹缀跛蠻SB連接的便攜設(shè)備提供安全、可靠的電池充電器。

　　表1匯總了以上討論的充電器，這些僅僅是Maxim產(chǎn)品的一小部分，更多產(chǎn)品選擇請(qǐng)?jiān)L問(wèn)電池管理。

表1. 具有代表性的USB電池充電器