通过USB总线为电池充电

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通用串行总线　(USB)端口是一种带有电源和地的双向数据端口。USB可以连接所有类型的外围设备，包括外部驱动器、存储设备、键盘、鼠标、无线接口、摄像机和照相机、MP3播放器以及数不尽的各种电子设备。这些设备有许多采用电池供电，其中一些带有内置电池。对于电池充电设计来说，应用广泛的USB既带来了机遇，也带来了挑战。本文阐述了如何将一个简单的电池充电器与USB电源进行接口。文章回顾了USB电源总线的特性，包括电压、电流限制、浪涌电流、连接器以及电缆连接问题。同时介绍了镍氢电池?(NiMH)?和锂电池技术、充电方法以及充电终止技术。给出了一个完整的示例电路，用于实现USB端口对NiMH电池智能充电，并给出了充电数据。

　　USB特性

　　无处不在的USB总线能够为所有类型的低功耗电子设备提供电源。总线电源与电网隔离，并且具有很好的稳定性。但是，可用电流是受限的，同时负载和主机或电源之间存在潜在的互操作问题。

　　USB端口由90Ω双向差分屏蔽双绞线、VBUS　(+5V电源)和地组成。这4条线由铝箔内屏蔽层和编织网外屏蔽层进行屏蔽。最新的USB规范标准是2.0版，可以从USB组织(www.USB.org)　免费获得。要做到完全符合该规范标准，需要通过一个功能控制器来实现设备和主机间的双向通信。规范定义了1个单位负载为100mA　(最大)。任何设备允许吸取的最大电流为5个单位负载。USB端口可分为低功率端口和大功率端口两类，低功率端口可提供1个单位负载的电流，大功率端口可最多提供5个单位负载的电流。当设备刚连接到USB端口时，枚举过程对器件进行识别，并确定其负载要求。在此过程中，只允许设备从主机吸取最多1个单位负载的电流。枚举过程完成后，如果主机的电源管理软件允许，则大功率设备可以吸取更大的电流。

　　某些主机系统　(包括下游USB集线器)通过保险丝或者有源电流检测器提供限流功能。如果USB设备未经过枚举过程便从USB端口吸取大电流　(超过1个单位负载)，则主机会检测到过流状态，并会关闭正在使用的一个或多个USB端口。市场上供应的许多USB设备，包括独立电池充电器，都没有功能控制器来处理枚举过程，但吸取的电流却超过了100mA。在这种不恰当的条件下，这些设备可能导致主机出现问题。例如，如果一个吸取500mA电流的设备插入总线供电的USB集线器，而且未进行正确的枚举过程，则可能导致集线器端口和主机端口同时过载。主机操作系统采用高级电源管理时情况会更加复杂，特别是笔记本电脑，它总是希望端口电流尽可能低。在某些节电模式下，计算机会向USB设备发出挂起命令，而后则认为设备进入了低功耗模式。设备中包含一个能与主机进行通信的功能控制器始终是一个比较好的做法，即使对于低功耗设备来说也是如此。

　　USB2.0规范非常全面，规定了电源的质量、连接器构造、电缆材质、容许的电压跌落以及浪涌电流等。低电流和大电流端口具有不同的电源指标。这主要是由主机和负载间的连接器和电缆上的电压跌落决定的，并包括由USB供电的集线器上产生的电压跌落。包括计算机或者自供电USB集线器在内的主机，都具有大电流端口，可提供最大500mA的电流。无源、总线供电的USB集线器具有低电流端口。表1列出了USB大电流和低电流端口上游端?(电源)　引脚允许的电压容限。

      

      在符合USB2.0规范的主机中，大功率端口的上游端具有120μF、低ESR电容。所连接的USB设备的输入电容限制在10μF以内，在最初的负载连接阶段，允许负载从主机　(或自供电集线器)　吸取的最大电荷数为50μC。这样一来，当新设备连接至USB端口时，上游端口的瞬态电压跌落小于0.5V。如果负载正常工作时需要更大的输入电容，则必须提供浪涌电流限制器，以保证对更大的电容充电时电流不会超过100mA。当USB端口带有一个总线供电的USB集线器，集线器上接了低功耗设备时，USB口上允许的直流电压跌落如图1所示。大功率负载与总线供电的集线器连接时，电压跌落将超过图1给出的指标，并会引起总线过载。

        　图1　主机至低功率负载的电压跌落大于图中给出的允许直流电压跌落时，会引起总线过载

　　电池充电要求

　　单节锂离子和锂聚合物电池

　　 如今的锂电池充电至最大额定容量后，其电压通常为4.1V至4.2V之间。当前市场上正在出售的、更新的、容量更大的电池，其电压范围在4.3V至4.4V之间。典型的棱柱形锂离子　(Li+)　和锂聚合物　(Li-Poly)　电池容量为600mAh至1400mAh。对Li+和Li-Poly电池来说，首选的充电曲线是从恒流充电开始，一直持续到电池电压达到额定电压。然后，充电器对电池两端的电压进行调节。这两种调节方式构成了恒流　(CC)　恒压(CV)　充电方式。因此，这种类型的充电器通常称为CCCV充电器。 从图1所示的USB电压跌落指标可以看出，端口供电集线器的下游低功率端口电压不具备足够的余量，很难将电池充至4.2V。充电通路上存在的小量额外电阻会妨碍正常充电。

　　镍氢电池（NiMH）

　　NiMH电池比锂电池要重一些，其能量密度也比锂电池低。一直以来，NiMH电池比锂电池要便宜，但是最近二者的价格差在缩小。NiMH电池具有标准尺寸，在大多数应用中可直接替换碱性电池。每节电池的标称电压为1.2V，充满后会达到1.5V。通常采用恒流源对NiMH电池充电。当达到充满状态时，会发生放热化学反应，并导致电池温度上升，电池端电压降低。可检测电池温度上升速率或者负向电压变化率，并用来终止充电。

　　电路实例

　　图2所示电路是用于单节NiMH电池充电的开关模式降压型调节器。它采用DS2712充电控制器调节充电电流和终止充电。充电控制器监视温度、电池电压和电池电流。如果温度超过+45oC或者低于0oC，控制器不会对电池充电。如图2所示，Q1是降压型充电器的开关功率晶体管；L1是滤波电感；D1是续流或整流二极管。输入电容C1为10μF、超低ESR的陶瓷滤波电容。用钽电容或者其它电解电容替代C1会使充电器的性能降低。R7是电流调节器检测放大器的检流电阻。DS2712的基准电压为0.125V，并具有24mV滞回。通过CSOUT提供闭环、开关模式电流控制。充电控制引脚CC1将Q2的栅极拉低时，使能Q1的栅极驱动。Q1和Q2均为低Vt?(栅-源门限电压)?的pMOSFET。CC1和CSOUT均为低电平时，Q2的漏-源电压将稍大于Vt。该电压以及CSOUT的正向压降构成了Q1的栅极开关电压。

　　CC1为低电平时，启动电流闭环控制。图3所示为启动开关时的波形。上方波形是0.125检流电阻两端的电压，下方波形是Q1漏极至GND的电压。开始时，当Q1打开　(CC1和CSOUT均为低电平)时，电感电流向上爬升。当电流增大到使检流电阻两端的电压达到0.125V时，CSOUT变为高电平，开关关断。此后，电感电流开始下降，直到检流电阻两端的电压达到约0.1V，CSOUT又变为低电平。只要CC1为低电平，该过程将一直持续。

　　DS2712的内部状态机控制着CC1的工作。充电开始时，DS2712先对电池进行状态测试，以确保电池电压在1.0V至1.65V之间，并确认温度在0oC至+45oC之间。如果电压低于1.0V，DS2712将以0.125的占空比拉低CC1，对电池缓慢充电，以防损坏电池。一旦电池电压超过1.0V后，状态机转为快充模式。快充时占空比为31/32，即大约97％。“跳过”的间隙内进行电池阻抗测试，以确保不会对错误放入充电器的高阻抗电池（例如碱性电池）进行充电。检测到-2mV的-ΔV后，快充结束。如果未检测到-ΔV，将持续快充，直到快充定时器超时，或检测到过温或者过压故障状态(包括阻抗不合格)　为止。快充完成　(由于-V或快充定时器超时)后，DS2712进入定时补足充电模式，占空比为12.5%，持续时间为所设快充定时的一半。补足充电完成后，充电器进入维持模式，占空比为1/64，直到电池被拿走或重新上电。

　图2　USB端口对单节NiMH电池快速充电的原理图

图3　USB　NiMH充电器的启动波形

  　采用图2所示充电器和大功率USB端口对2100mAh　NiMH电池充电时，快充时间为2小时多一点，大约3个小时完成包括补足充电在内的全部充电过程。从端口吸取的电流为420mA。如果需要与主机进行枚举过程，并需要大电流使能操作，可在R9和地之间串联一个开漏极nMOSFET。如果MOSFET关断，则TMR浮空，DS2712进入挂起状态。

　　结语

　　对于小型消费类电子设备的电池充电而言，USB端口是一个经济、实用的电源。为完全符合USB　2.0规范，连接在USB端口上的负载必须能够与主机进行双向通信。负载也必须符合电源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主机确定何时需要从端口吸取大电流的手段。尽管部分兼容的系统能够适应大部分USB主机，但有时会出现意想不到的结果。只有很好地理解USB规范要求和负载的期望，才能在对于规范的兼容性与负载复杂度之间取得较好的平衡。