摘要：通用串行總線(xiàn)(USB)端口是一種帶有電源和地的雙向數據端口。USB可以連接所有類(lèi)型的外圍設備，包括外部驅動(dòng)器、存儲設備、鍵盤(pán)、鼠標、無(wú)線(xiàn)接口、攝像機和照相機、MP3播放器以及數不盡的各種電子設備。這些設備有許多采用電池供電，其中一些帶有內置電池。對于電池充電設計來(lái)說(shuō)，應用廣泛的USB既帶來(lái)了機遇，也帶來(lái)了挑戰。本文闡述了如何將一個(gè)簡(jiǎn)單的電池充電器與USB電源進(jìn)行接口。文章回顧了USB電源總線(xiàn)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(wèn)題。同時(shí)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(gè)完整的示例電路，用于實(shí)現USB端口對NiMH電池智能充電，并給出了充電數據。

關(guān)鍵詞：USB電源 鎳氫電池 鋰電池 電池智能充電

USB特性

　　USB總線(xiàn)能夠為低功耗電子設備提供電源�？偩�(xiàn)電源與電網(wǎng)隔離，并且具有很好的穩定性。但是，可用電流有限，同時(shí)負載和主機或電源之間存在潛在的互操作問(wèn)題。

　　USB端口由90Ω雙向差分屏蔽雙絞線(xiàn)、VBUS(5V電源)和地組成。這4條線(xiàn)由鋁箔內屏蔽層和編織網(wǎng)外屏蔽層進(jìn)行屏蔽。最新的USB規范標準是2.0版，可以從USB組織免費獲得。要做到完全符合該規范標準，需要通過(guò)一個(gè)功能控制器來(lái)實(shí)現設備和主機間的雙向通信。規范定義了1個(gè)單位負載為100mA(最大)。任何設備允許吸取的最大電流為5個(gè)單位負載。

　　USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類(lèi)，低功率端口可提供1個(gè)單位負載的電流，大功率端口可最多提供5個(gè)單位負載的電流。當設備剛連接到USB端口時(shí)，枚舉過(guò)程對器件進(jìn)行識別，并確定其負載要求。在此過(guò)程中，只允許設備從主機吸取最多1個(gè)單位負載的電流。枚舉過(guò)程完成后，如果主機的電源管理軟件允許，則大功率設備可以吸取更大的電流。

　　某些主機系統(包括下游USB集線(xiàn)器)通過(guò)保險絲或者有源電流檢測器提供限流功能。如果USB設備未經(jīng)過(guò)枚舉過(guò)程便從USB端口吸取大電流(超過(guò)1個(gè)單位負載)，則主機會(huì )檢測到過(guò)流狀態(tài)，并會(huì )關(guān)閉正在使用的一個(gè)或多個(gè)USB端口。市場(chǎng)上供應的許多USB設備，包括獨立電池充電器，都沒(méi)有功能控制器來(lái)處理枚舉過(guò)程，但吸取的電流卻超過(guò)了100mA。在這種不恰當的條件下，這些設備可能導致主機出現問(wèn)題。例如，如果一個(gè)吸取500mA電流的設備插入總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)器，而且未進(jìn)行正確的枚舉過(guò)程，則可能導致集線(xiàn)器端口和主機端口同時(shí)過(guò)載。

　　主機操作系統采用高級電源管理時(shí)情況會(huì )更加復雜，特別是筆記本電腦，它總是希望端口電流盡可能低。在某些節電模式下，計算機會(huì )向USB設備發(fā)出掛起命令，而后則認為設備進(jìn)入了低功耗模式。設備中包含一個(gè)能與主機進(jìn)行通信的功能控制器始終是一個(gè)比較好的做法，即使對于低功耗設備來(lái)說(shuō)也是如此。

　　USB2.0規范非常全面，規定了電源的質(zhì)量、連接器構造、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。這主要是由主機和負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(xiàn)器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計算機或者自供電USB集線(xiàn)器在內的主機，都具有大電流端口，可提供最大500mA的電流。無(wú)源、總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)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。

　　*這些指標適用于上游端主機或集線(xiàn)器端口的連接器引腳。電纜和連接器上的IxR跌落需另外考慮。

　　在符合USB2.0規范的主機中，大功率端口的上游端具有120μF、低ESR電容。所連接的USB設備的輸入電容限制在10μF以?xún)�，在最初的負載連接階段，允許負載從主機(或自供電集線(xiàn)器)吸取的最大電荷數為50μC。這樣一來(lái)，當新設備連接至USB端口時(shí)，上游端口的瞬態(tài)電壓跌落小于0.5V。如果負載正常工作時(shí)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(shí)電流不會(huì )超過(guò)100mA。

當USB端口帶有一個(gè)總線(xiàn)供電的USB集線(xiàn)器，集線(xiàn)器上接了低功耗設備時(shí)，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負載與總線(xiàn)供電的集線(xiàn)器連接時(shí)，電壓跌落將超過(guò)圖1給出的指標，并會(huì )引起總線(xiàn)過(guò)載。

圖1.主機至低功率負載的電壓跌落大于圖中給出的允許直流電壓跌落時(shí)，會(huì )引起總線(xiàn)過(guò)載

　　電池充電要求

　　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。當前市場(chǎng)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(lái)說(shuō)，首選的充電曲線(xiàn)是從恒流充電開(kāi)始，一直持續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(jìn)行調節。這兩種調節方式構成了恒流(CC)恒壓(CV)充電方式。因此，這種類(lèi)型的充電器通常稱(chēng)為CCCV充電器。CCCV充電器進(jìn)入CV模式后，電池的充電電流開(kāi)始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當電池達到其充滿(mǎn)容量的80%至90%時(shí)，充電器由CC模式轉換為CV模式。充電器一旦進(jìn)入CV充電模式，則對電池電流進(jìn)行監視；當電流達到最低門(mén)限(幾毫安或者幾十毫安)時(shí)，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2.使用CCCV充電器對Li電池充電時(shí)的典型曲線(xiàn)

　　從圖1所示的USB電壓跌落指標可以看出，端口供電集線(xiàn)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(huì )妨礙正常充電。

　　Li和Li-Poly電池應在合適的溫度下進(jìn)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�，如果電池溫度超過(guò)70°C，會(huì )發(fā)生燃燒。鋰電池充電器應具備熱關(guān)斷電路，該電路監視電池溫度，如果電池溫度超過(guò)制造商推薦的最大充電溫度時(shí)，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(lái)，NiMH電池比鋰電池要便宜，但是最近二者的價(jià)格差在縮小。NiMH電池具有標準尺寸，在大多數應用中可直接替換堿性電池。每節電池的標稱(chēng)電壓為1.2V，充滿(mǎn)后會(huì )達到1.5V。

　　通常采用恒流源對NiMH電池充電。當達到充滿(mǎn)狀態(tài)時(shí)，會(huì )發(fā)生放熱化學(xué)反應，并導致電池溫度上升，電池端電壓降低�？蓹z測電池溫度上升速率或者負向電壓變化率，并用來(lái)終止充電。這些充電終止方法分別稱(chēng)為dT/dt和-ΔV。充電速率非常低時(shí)，dT/dt和-ΔV不太明顯，很難精確檢測到。電池開(kāi)始進(jìn)入過(guò)充狀態(tài)時(shí)，dT/dt和-ΔV響應開(kāi)始顯現。此時(shí)如果繼續充電，將損壞電池。

　　終止檢測在充電速率大于C/3時(shí)要比低充電速率時(shí)容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鐘，-ΔV響應也比低充電速率時(shí)更明顯�？斐浣Y束后，建議以更小的電流再充一段時(shí)間，以徹底充足電池(補足充電)。補足充電階段結束后，采用C/20或者C/30的涓充電流來(lái)補償自放電效應，使電池維持在充滿(mǎn)狀態(tài)。圖3所示為采用DS2712NiMH充電器對NiMH電池(事先已充了一部分電)進(jìn)行充電的電池電壓曲線(xiàn)。在該圖中，上面一條曲線(xiàn)的數據在充電電流正在灌入電池時(shí)獲得，下面那條曲線(xiàn)的數據在切斷電流時(shí)測得。在DS2712中，該電壓差被用來(lái)區分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，則DS2712不會(huì )對它進(jìn)行充電。

圖3.采用DS2712充電控制器對NiMH電池充電

　　開(kāi)關(guān)與線(xiàn)性

　　USB2.0規范允許低功率端口提供最大100mA電流，大功率端口提供最大500mA電流。如果采用線(xiàn)性調整器件來(lái)調節電池充電電流，這也就是最大可提供的充電電流。線(xiàn)性調整器件(圖4)的功耗為P=VQxIBATT。這會(huì )造成調整管發(fā)熱，可能需要安裝散熱器，以防止過(guò)熱。

圖4.功耗等于電池充電電流乘以調整管兩端的電壓

　　對應5V標稱(chēng)輸入電壓，調整器件消耗的功率與電池類(lèi)型、數量和電池電壓有關(guān)。

圖5.采用5.0V電壓的USB端口對NiMH電池充電時(shí)，線(xiàn)性調整器件的功耗

　　標稱(chēng)輸入電壓為5.0V時(shí)，線(xiàn)性USB充電器對NiMH電池充電的功耗計算結果如圖5所示。對單節電池充電時(shí)，線(xiàn)性充電器的效率僅為30%；對兩節電池充電時(shí)，效率為60%。用500mA電流對單節電池充電時(shí)，功耗會(huì )高達2W。這樣的功耗通常需要加散熱器。功耗為2W時(shí)，熱阻為+20°C/W的散熱器在+25°C環(huán)境溫度下會(huì )被加熱至大約+65°C，要得到滿(mǎn)額性能，還需要有流動(dòng)空氣來(lái)協(xié)助其散熱。處于空氣靜止的封閉空間內，溫度會(huì )更高。

　　采用基于開(kāi)關(guān)調節器的充電器可解決多個(gè)問(wèn)題。首先，與線(xiàn)性充電器相比，能夠以更快的速率、更大的電流對電池進(jìn)行充電(圖6)。由于功耗較低、發(fā)熱較少，熱管理方面的問(wèn)題也減少了。同時(shí)，由于運行溫度降低，充電器更加可靠。

圖6.對單節NiMH電池充電時(shí)，線(xiàn)性充電器和開(kāi)關(guān)充電器的充電時(shí)間不同

　　圖6中的計算結果基于以下條件和假設得到：采用高功率USB口最大允許電流(500mA)的大約90%充電；開(kāi)關(guān)調節器采用非同步整流的buck轉換器，具有77%效率。

　　電路實(shí)例

　　圖7所示電路是用于單節NiMH電池充電的開(kāi)關(guān)模式降壓型調節器。它采用DS2712充電控制器調節充電電流和終止充電。充電控制器監視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過(guò)+45°C或者低于0°C，控制器不會(huì )對電池充電。

圖7.USB端口對單節NiMH電池快速充電的原理圖

　　如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開(kāi)關(guān)功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續流或整流二極管。輸入電容C1為10μF、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會(huì )使充電器的性能降低。R7是電流調節器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過(guò)CSOUT提供閉環(huán)、開(kāi)關(guān)模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時(shí)，使能Q1的柵極驅動(dòng)。Q1和Q2均為低Vt(柵-源門(mén)限電壓)的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時(shí)，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構成了Q1的柵極開(kāi)關(guān)電壓。

　　CC1為低電平時(shí)，啟動(dòng)電流閉環(huán)控制。圖8所示為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)的波形。上方波形是0.125Ω(檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開(kāi)始時(shí)，當Q1打開(kāi)(CC1和CSOUT均為低電平)時(shí)，電感電流向上爬升。當電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達到0.125V時(shí)，CSOUT變?yōu)楦唠娖�，開(kāi)關(guān)關(guān)斷。此后，電感電流開(kāi)始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達到約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖�。只要CC1為低電平，該過(guò)程將一直持續。

圖8.USBNiMH充電器的啟動(dòng)波形

　　DS2712的內部狀態(tài)機控制著(zhù)CC1的工作。充電開(kāi)始時(shí)，DS2712先對電池進(jìn)行狀態(tài)測試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過(guò)1.0V后，狀態(tài)機轉為快充模式�？斐鋾r(shí)占空比為31/32，即大約97%。“跳過(guò)”的間隙內進(jìn)行電池阻抗測試，以確保不會(huì )對錯誤放入充電器的高阻抗電池(例如堿性電池)進(jìn)行充電。檢測到-2mV的-ΔV后，快充結束。如果未檢測到-ΔV，將持續快充，直到快充定時(shí)器超時(shí)，或檢測到過(guò)溫或者過(guò)壓故障狀態(tài)(包括阻抗不合格)為止�？斐渫瓿�(由于-ΔV或快充定時(shí)器超時(shí))后，DS2712進(jìn)入定時(shí)補足充電模式，占空比為12.5%，持續時(shí)間為所設快充定時(shí)的一半。補足充電完成后，充電器進(jìn)入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。

　　采用圖7所示充電器和大功率USB端口對2100mAhNiMH電池充電時(shí)，快充時(shí)間為2小時(shí)多一點(diǎn)，大約3個(gè)小時(shí)完成包括補足充電在內的全部充電過(guò)程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機進(jìn)行枚舉過(guò)程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯(lián)一個(gè)開(kāi)漏極nMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，則TMR浮空，DS2712進(jìn)入掛起狀態(tài)。

　　總結

　　對于小型消費類(lèi)電子設備的電池充電而言，USB端口是一個(gè)經(jīng)濟、實(shí)用的電源。為完全符合USB2.0規范，連接在USB端口上的負載必須能夠與主機進(jìn)行雙向通信。負載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機確定何時(shí)需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統能夠適應大部分USB主機，但有時(shí)會(huì )出現意想不到的結果。只有很好地理解USB規范要求和負載的期望，才能在對于規范的兼容性與負載復雜度之間取得較好的平衡。