USB端口對NiMH電池智能充電的實現(xiàn)

概述

　　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)。

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90ohm;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)

*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120µF、低ESR電容。所連接的USB設(shè)備的輸入電容限制在10µF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50µC。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。

　　當(dāng)USB端口帶有一個總線供電的USB集線器，集線器上接了低功耗設(shè)備時，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負(fù)載與總線供電的集線器連接時，電壓跌落將超過圖1給出的指標(biāo)，并會引起總線過載。


圖1. 主機至低功率負(fù)載的電壓跌落大于圖中給出的允許直流電壓跌落時，會引起總線過載。

電池充電要求

單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池

　　如今的鋰電池充電至最大額定容量后，其電壓通常為4.1V至4.2V之間。當(dāng)前市場上正在出售的、更新的、容量更大的電池，其電壓范圍在4.3V至4.4V之間。典型的棱柱形鋰離子(Li+)和鋰聚合物(Li-Poly)電池容量為600mAh至1400mAh。

　　對Li+和Li-Poly電池來說，首選的充電曲線是從恒流充電開始，一直持續(xù)到電池電壓達到額定電壓。然后，充電器對電池兩端的電壓進行調(diào) 節(jié)。這兩種調(diào)節(jié)方式構(gòu)成了恒流(CC)恒壓(CV)充電方式。因此，這種類型的充電器通常稱為CCCV充電器。CCCV充電器進入CV模式后，電池的充電 電流開始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當(dāng)電池達到其充滿容量的80%至90%時，充電器由CC模式轉(zhuǎn)換為CV模式。充電器一旦進 入CV充電模式，則對電池電流進行監(jiān)視；當(dāng)電流達到最低門限(幾毫安或者幾十毫安)時，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線如圖2所示。


圖2. 使用CCCV充電器對Li+電池充電時的典型曲線

　　從圖1所示的USB電壓跌落指標(biāo)可以看出，端口供電集線器的下游低功率端口電壓不具備足夠的余量，很難將電池充至4.2V。充電通路上存在的小量額外電阻會妨礙正常充電。

　　Li+和Li-Poly電池應(yīng)在合適的溫度下進行充電。制造商推薦的最高充電溫度通常為+45°C至+55°C之間，允許的最 大放電溫度可再高出10°C左右。這些電池使用的材料，化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡绻姵販囟瘸^+70°C，會發(fā)生燃燒。鋰電池充電器應(yīng)具備 熱關(guān)斷電路，該電路監(jiān)視電池溫度，如果電池溫度超過制造商推薦的最大充電溫度時，則終止充電。

鎳氫電池(NiMH)

　　NiMH電池比鋰電池要重一些，其能量密度也比鋰電池低。一直以來，NiMH電池比鋰電池要便宜，但是最近二者的價格差在縮小。NiMH電池具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在大多數(shù)應(yīng)用中可直接替換堿性電池。每節(jié)電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，充滿后會達到1.5V。

　　通常采用恒流源對NiMH電池充電。當(dāng)達到充滿狀態(tài)時，會發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，并導(dǎo)致電池溫度上升，電池端電壓降低?？蓹z測電池溫度上升速率或者 負(fù)向電壓變化率，并用來終止充電。這些充電終止方法分別稱為dT/dt和-ΔV。充電速率非常低時，dT/dt和-ΔV不太明 顯，很難精確檢測到。電池開始進入過充狀態(tài)時，dT/dt和-ΔV響應(yīng)開始顯現(xiàn)。此時如果繼續(xù)充電，將損壞電池。

　　終止檢測在充電速率大于C/3時要比低充電速率時容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鐘，-ΔV響應(yīng)也比低充電速率時 更明顯?？斐浣Y(jié)束后，建議以更小的電流再充一段時間，以徹底充足電池(補足充電)。補足充電階段結(jié)束后，采用C/20或者C/30的涓充電流來補償自放電 效應(yīng)，使電池維持在充滿狀態(tài)。圖3所示為采用DS2712 NiMH充電器對NiMH電池(事先已充了一部分電)進行充電的電池電壓曲線。在該圖中，上面一條曲線的數(shù)據(jù)在充電電流正在灌入電池時獲得，下面那條曲線 的數(shù)據(jù)在切斷電流時測得。在DS2712中，該電壓差被用來區(qū)分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，則DS2712不會對它進行充電。


圖3. 采用DS2712充電控制器對NiMH電池充電。