在圖6中，為USB設備增加了簡單的Li+電池充電功能。MAX8814可配置為通過100mA或500mA USB端口為電池充電。電路初始化為100mA，然后微控制器枚舉主機，以確定其電流驅動能力。如果USB端口允許，通過導通電流設置網絡的N1和R1，增大充電電流。大電流充電標稱設定為425mA，以避免超過考慮容限后的SDP 500mA限制。充電器還具有一個自動啟動電路，當連接有外部電源時，提供輸出信號(ABO)通知系統。圖6盡管兼容USB，但并不符合BC1.1標準，所以需要枚舉才能充電。


圖6. MAX8814為USB設備增加充電功能提供了簡單、引腳數少的解決方案。枚舉受系統控制，利用ISET引腳監測和控制充電電流。這種設計兼容USB，但并不符合BC1.1標準，所以需要枚舉才能充電。

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其它充電策略

USB電池充電設計非常復雜。便攜式USB連接設備并非遵循同一設計理念，存在各種限制約束—其中尺寸、成本、充電時間的影響最為明顯。設計中須謹慎考慮這些因素及其它更細致的事項，有助于選擇USB充電方案。更多的設計考慮事項包括：

• 設備在施加外部電源(USB或適配器)后是否必須啟動所有功能工作？
• 是否需要獨立的輸入，分別連接USB和適配器電源？
• 設備是否具有計算能力和固件與USB端口進行協商充電？
• 充電電流是否能夠瞬間降低，以減小熱耗，或者是否需要開關模式設計？
• 需要什么樣的輸入保護措施？

多輸入充電

根據BC1.1規定，設備只能從USB定義的電源充電。這些設備的使用越來越普及，但您可能仍然希望選擇常規的、可能不兼容USB的適配器進行充電。利用雙輸入充電器能夠很好地解決這一問題，能夠靈活替換外部電源。在此之前，通常采用“或”二極管或分立式MOSFET比較器進行電源切換，如果考慮潛在的“漏電”通路和切換時間時，設計會變得相對復雜。幸運的是，目前許多充電器IC具有電源關斷控制(圖7)。集成這一功能不僅僅是簡單地替代外部元件。由于集成充電器能夠了解開關電路的操作，有助于改善電源變化時的切換。


圖7. MAX8844等雙輸入充電器處理利用USB和適配器供電的充電器，器件還具有高達28V的輸入過壓保護。

充電器常見的設計考慮是從多電源供電問題，特別是采用圓形連接器時，可能會連接到不正確的適配器。為避免這種事件的發生，MAX8844禁止從高于7.5V的輸入電源充電，能夠承受并阻止高達28V的輸入，可有效保護電池、充電器及下行電路，防止錯誤地連接到其它任何類型的適配器。此外，MAX8844具有過壓保護LDO，從USB和適配器(IN)輸入偏置，可向系統提供30mA電流。無論充電器是否使能，這些LDO輸出(SAFEUSB和SAFEOUT)都保持有效。器件執行的其它充電功能包括：電池檢測、熱限制、在極端環境溫度下減小充電電流(以維持較低的管芯溫度)、自動啟動邏輯輸出、外部電源作用時通知系統。

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電池負載切換(智能電源)與直接連接

在USB和適配器供電的充電應用中，一個關鍵設計因素是充電電路是否直接連接到電池和系統負載，或者在連接外部電源時是否需要額外的開關斷開電池與系統的連接，這兩種情況如圖8所示。


圖8. 直接連接充電器及Maxim的智能電源選擇(Smart Power Selector?)技術示意圖

直接連接結構是最簡單、最經濟的實現方式。如果電池深度放電后施加外部電源，將會顯露出它的主要缺陷。這種情況下，系統可能不能啟動，直到電池達到可接受的水平。有些應用中，等待電池充電到一定程度，然后再恢復所有功能，用戶也是可以接受的；然而，有些應用中，無論電池狀態如何，“必須”要求連接外部電源時能夠立即工作。后一種情況下，Maxim的智能電源選擇器允許系統在電池深度放電狀態下使用外部電源供電，參見圖9。


圖9. 具有智能電源選擇器的雙輸入USB/適配器(例如MAX8934)，在連接外部電源時能夠立即為系統供電，并同時為完全放電的電池充電。

圖9中，系統負載輸出(SYS)和電池(BAT)之間的內置低阻(40mΩ) MOSFET在充電和放電工作期間負責多項功能。充電期間，該智能電源選擇器開關充分利用有限的USB或適配器電源，在確保系統供電的前提下為電池充電。它還將電池作為一個緩沖儲能裝置，在負載瞬時發生超過輸入限流的峰值電流時保證系統供電。放電期間，該開關提供一條從電池到系統的低損耗通路。

系統軟件處理與USB主機的通信并向充電器發送命令。MAX8394管理充電硬件，并提供簡單的通信，設置USB、適配器充電相關的參數。預設USB輸入電流門限，確保不超過規定的限制，適配器使用用戶設置的電流。充電器還向系統提供完整的狀態和故障信號。

MAX8934具有最新的充電安全特性，包括日本電子信息技術產業協會(JEITA)規定的與溫度相關的充電協議，在溫度升高時暫?；驕p緩充電。此外，輸入具有高達16V的過壓保護(OVP)，并且器件在極端條件下通過減小充電電流限制溫度的上升。

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高達2A的開關模式快速充電器，發熱最小

有些緊湊設備需要較大的充電電流(超過1A)，無法承受線性充電器在高充電速率下產生的過多熱量。針對這種需求，MAX8903 (圖10)提供了一個4MHz DC-DC轉換器，在保持器件最小面積的同時，能夠從適配器電源為電池提供高達2A的電流。與MAX8934一樣，MAX8903為雙輸入設計，通過獨立的連接接受USB和適配器輸入。與之前輸入電源和電池電源關斷操作一樣，自動進行電源之間的切換。


圖10. 具有智能電源選擇器的MAX8903開關模式充電器，可從適配器輸入提供高達2A電流，從USB源提供500mA電流。

MAX8903的4MHz開關頻率使開關模轉換器的有源元件保持在最小尺寸，在考慮了較低的功耗后，利用該器件構建的2A充電器會小于等效的線性充電器。實際上，考慮到熱耗散，大多數便攜設備在任何條件下都不能支持2A的線性充電架構。

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內置過壓和極性反接保護

盡管USB充電規范對電源適配器和充電器進行了一定程度的強制要求，但是針對便攜設備的USB設計仍然比較混亂，尤其是那些選擇使用普通圓形插頭作為電源的應用(只使用適配器或者是雙輸入設備非常普遍)。用戶極容易使用“隨手找到”的、但輸出電壓甚至極性是錯誤的適配器。通過在充電器電源輸入端集成正、負22V保護，MAX8900能夠減輕設計人員的負擔：無需外部保護器件或MOSFET開關(圖11)。


圖11. 具有±22V過壓和極性反接保護的直接連接開關模式充電器

MAX8900是一款直接連接充電器，系統通常連接至電池。其3.25MHz開關頻率允許使用非常小的外圍器件，并提供高達1.2A的充電電流，熱耗非常低。除了雙極性輸入保護外，還根據JEITA規定，按照溫度的變化調整充電參數。

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通過USB為NiMH電池充電

圖12. USB供電的單節NiMH電池開關模式充電器

雖然表面上Li+電池已經占據整個便攜世界，但NiMH電池并沒有被完全遺棄。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僅比Li+電池低大約15%。NiMH電池的最大缺點是自放電率較高，混合型NiMH電池在很大程度解決了這一問題，例如SANYO? Eneloop?電池，靜態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，至少標準電池具備這些優勢。

圖12所示便攜設備由一節AA型NiMH電池供電，利用USB充電。DS2710充電器開關頻率大約為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)。由于降壓轉換器將5V、500mA轉換成電池充電時的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行充電。所以，當枚舉確定只有100mA電流可用時，不應激活充電。系統通過關閉TMR上的Q2，使定時器電阻懸空，停止充電。

該充電器另外一項特別有用的功能是：通過檢測電池阻抗確定接入的是否為堿性電池或故障電池，檢測到這種狀況時將禁止充電。這就允許用戶在緊急情況下插入堿性電池，無需擔心意外充電。

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USB 3.0

USB 3.0規范進一步提高了USB的數據速率。規范在電源方面與USB 2.0相似，只不過“單位負載”從100mA增大至150mA，大功率端口不得不提供6個(而不是5個)單位負載。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。

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“假象”—非標準USB充電

與所有增加的不同于原始應用的標準一樣，制造商有時為了提供至少受限的充電架構而忽略了USB 2.0規范的部分要求。通常這種非標準設備在任何條件下吸收的電流都不大于100mA，所以，無論是大功率還是低功率集線器都不會過載。將電流限制在這一水平的缺點是電池充電時間較長，但如果設備在大部分時間都連接至USB端口，或許仍可接受。除了充電時間較長外，這種方式還有另外一個局限性：如果系統電池已完全放電，啟動所有系統功能須延遲到電池達到足夠電量的水平。

非標準充電的另一方面涉及到USB掛起的處理。USB 2.0規定所有設備在一定周期內沒有總線操作時必須掛起(吸收電流小于2.5mA)。由于編制該規范時沒有包括充電，所以沒有考慮設備在關閉時繼續保持電池充電的情況。然而，由于大多數USB主機實際并不關閉電源，這種違反規范的操作也很少妨礙充電。

非標準充電假設可以獲得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USB端口不關閉電源，這種方法在大多數情況下有效。當這樣的設備插入到不支持500mA電流的端口時，端口將按規定關斷。然而，USB端口的過載狀況并非任何情況下都給出了清晰的定義，會導致系統復位或損壞。幸運的是，電池充電已經是USB規范的一個有機組成部分，所以不再需要如此的冒險操作。

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結論

USB充電具有多種形式，取決于不同USB設備的獨特要求。USB電池充電規范1.1版最終對之前的許多充電操作進行了規范。隨著BC1.1標準的普及，將會降低制造商和消費者的成本。該標準應用的普及也會提高系統的互操作性。盡管如此，USB規范也僅僅規定了從端口獲取多大功率，仍然將電源管理架構和充電規范留給用戶去判讀。這正是Maxim各種充電器件的用武之地，它們能夠為幾乎所有USB連接的便攜設備提供安全、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產品的一小部分，更多產品選擇請訪問電池管理。