可以說，USB電源功能中最有用的部分是能夠在便攜式設備中為電池充電，但電池充電不僅僅是選擇電源，USB或其他電源。對于Li+電池尤其如此，充電不當不僅會縮短電池壽命，而且還可能造成安全隱患。精心設計的充電器可優化安全性和用戶體驗。它還通過減少客戶退貨和保修維修來降低成本。從USB為電池充電需要在電池“保養和喂養”與USB的功率限制以及便攜式消費類設備設計中存在的尺寸和成本障礙之間取得平衡。本文討論如何實現這種平衡。

介紹

USB已成為將電源連接到便攜式設備的標準，就像串行通信一樣。最近，USB的電源方面已經擴展到電池充電以及AC適配器和其他電源。這種廣泛使用的一個切實好處是出現了可互換的插頭和適配器，用于為便攜式設備充電和供電。反過來，這允許從更廣泛的來源充電，而不是過去每個設備都需要一個獨特的適配器。

可以說，USB電源功能最有用的好處是能夠在便攜式設備中為電池充電。盡管如此，電池充電不僅僅是選擇電源、USB 或其他方式。對于Li+電池來說尤其如此，充電不當不僅會縮短電池壽命，還會成為安全隱患。精心設計的充電器可優化安全性和用戶體驗。它還通過減少客戶退貨和保修維修來降低成本。

使用 USB 為電池充電需要在電池“保養和喂養”與 USB 的功率限制以及便攜式消費類設備設計中存在的尺寸和成本障礙之間取得平衡。本文討論如何實現這種平衡。

一系列電源

USB 規范涵蓋幾代電源管理。最初的USB 1和2.0規范描述了兩種類型的電源（分別為5V 500mA和5V 100mA），用于為連接的設備供電。這些規格在編寫時并未考慮電池充電，而僅用于為鼠標和鍵盤等小型外圍設備供電。當然，這并沒有阻止設計師自己研究USB電池充電。然而，如果沒有統一的指南，不同設備和充電器之間的互操作性就受到了影響。這種限制促使最近開發了補充USB規范，即電池充電規范，修訂版1.1，4年15月2009日（BC1.1）。1確認充電并描述可提供高達 1.5A 電流的電源。雖然標題為“電池充電規范”，但該文件實際上不包含任何關于電池充電細節的內容。它僅涉及如何從 USB 端口獲取電源以進行充電。實際的充電方法仍取決于各個設計。

在BC1.1之前，所有USB電源端口在激活時（即USB術語中的“未掛起”）被歸類為“低功耗”（100mA）或“高功率”（500mA）。任何端口也可以“掛起”，這意味著幾乎關閉但仍能夠提供2.5mA電流。在大多數情況下，PC、筆記本電腦和供電集線器上的端口（有源集線器是一個 USB 分線盒，帶有自己的用于總線電源的壁式電源適配器）是“高功率”，而集線器上的端口除了上游 USB 主機提供的電源外不接收任何電源，則被視為“低功耗”。一旦插入，設備最初可以消耗高達100mA的電流，同時枚舉并與主機協商其當前預算。隨后，可以允許將其漏極提高到500mA，或者可以保持在100mA。USB 串行總線規范修訂版 2.0 第 7.2.1.4 節中對此進行了詳細說明。

BC1.1 超越了 USB 2.0 中描述的功率分配，定義了額外的充電電源。它定義了三種不同的源類型：

標準下行端口 （SDP） 此端口與 USB 2.0 規范定義的端口相同，是臺式機和筆記本電腦中的典型形式。最大負載電流在掛起時為 2.5mA，在連接且未掛起時為 100mA，當配置為該電流時為 500mA （最大值）。器件可以通過檢測USB數據線D+和D-通過15kΩ分別接地來識別帶有硬件的SDP，但仍需要枚舉才能符合USB標準。在USB 2.0中，在沒有枚舉的情況下獲取功率并不嚴格合法，盡管當今的許多硬件都是這樣做的，并且違反了規范。

充電下游端口 （CDP） BC1.1 定義了這個新的、更高電流的 USB 端口，適用于 PC、筆記本電腦和其他硬件。現在CDP可以提供高達1.5A的電流，這與USB 2.0不同，因為該電流可以在枚舉之前提供。插入CDP的設備可以通過操作和監控D+和D-線實現的硬件握手來識別它。（請參閱 USB 電池充電規范，第 3.2.3 節。硬件測試在將數據線轉到USB收發器之前進行，從而允許在枚舉之前檢測到CDP（并開始充電）。

專用充電端口 （DCP） BC1.1 描述了壁式電源適配器和自動適配器等電源，這些電源不枚舉，因此可以在完全沒有數字通信的情況下進行充電。DCP 可提供高達 1.5A 的電流，并通過 D+ 至 D- 之間的短路來識別。這允許創建具有USB迷你或微型插座的DCP“壁式疣”，而不是帶有套管或定制連接器的永久連接電線。此類適配器允許使用任何USB電纜（帶有正確的插頭）進行充電。

檢測源類型

對于連接到任何USB插座并使用該電源自行運行或為電池充電的設備來說，訣竅是知道適合消耗多少電流。試圖從僅能提供1mA電流的電源中汲取500A電流是不好的。過載的 USB 端口可能會關閉、熔斷保險絲或使多晶開關跳閘。即使具有可重置的保護，在拔下設備并重新連接之前，它通常也不會重新啟動。在保護不太嚴格的端口中，過載的端口可能導致整個系統復位。

便攜式設計可以選擇如何管理端口檢測。它可以符合 BC1.1、僅符合 USB 2.0 或不兼容。如果完全符合 BC1.1，它必須能夠檢測和限制所有 USB 源類型的輸入電流，包括傳統的 USB 1 和 2.0 端口。如果符合 2.0，它將在枚舉后從 SDP 中收費，但可能無法識別 CDP 和 DCP。如果它無法識別 CDP，它仍然可以收費并保持合規，但只能在枚舉后，就像使用 SDP 一樣。其他部分合規和不合規的收費方案將在后面討論。

設備可以使用自己的軟件實現端口檢測，也可以使用充電器或接口IC，通過與USB D+和D-數據線交互進行檢測，而無需依賴系統資源。這些角色的設計分區取決于系統體系結構。例如，已經使用微控制器或專用IC來管理電源的設備可能更喜歡使用該IC進行端口檢測和電流選擇。由于設備已經可以通過 USB 連接與主機通信，因此它可以根據枚舉和配置的結果做出充電選擇。這些選擇可以由應用處理器或可能處理電源管理和其他系統功能的單獨微控制器控制。系統檢測端口類型，枚舉并向充電器發送適當的命令。充電器處理充電的硬件和安全方面，并具有不允許系統損壞電池的內置限制（圖1）。

圖1.非枚舉充電器。USB 收發器和微處理器處理 USB 枚舉。然后，微處理器將電池充電器設置為正確的參數。

其他設備可能未設計為與 USB 通信，或者不想使用系統軟件來管理 USB 充電。它只想使用可用的USB端口作為電源。此方法可用于避免復雜性或響應對軟件錯誤可能導致錯誤收費的擔憂。由于系統不枚舉，因此最佳充電選項是自枚舉充電器 IC。充電器負責端口檢測并選擇適當的 USB 負載電流限值，無需系統幫助（圖 2）。

圖2.自枚舉充電器直接連接到USB數據線，使簡單的系統無需USB收發器或微處理器資源即可充分利用USB充電。

USB 連接術語

在這一點上，一些USB術語值得澄清。它們是“附加”、“連接”、“枚舉”和“配置”。

連接插入 USB 電纜的物理過程。

連接 當器件（您剛剛插入）將 1.5kΩ 上拉電阻連接到 D+ 或 D- 數據線時。

枚舉設備和主機之間的初始數據交換，以標識設備類型。

配置設置設備參數。

在 USB 2.0 中，設備在枚舉和配置期間了解 USB 端口可以提供多少電流。枚舉和配置需要在設備和主機之間進行數字對話。BC1.1 擴展了 USB 規范。除了USB 2.0選項外，BC1.1還允許使用“啞”方法確定端口類型，以便對于某些端口，可以在沒有枚舉的情況下進行充電。

端口檢測和自枚舉充電器

MAX8895決定如何最好地利用可用輸入功率，而無需依賴系統來評估電源。充電器會自動確定適配器類型，并可以區分：

直流電流：500mA 至 1.5A

CDP（主機或集線器）：高速時為 900mA（啁啾時為 580mA）;低速和高速時至 1.5A

低功耗SDP（主機或集線器）：100mA

高功率SDP（主機或集線器）：500mA

可用電流可以由電池或系統使用，也可以在它們之間分配。內置掛起計時器會在 10 毫秒內未檢測到總線流量時自動觸發掛起。

除了自動優化USB和適配器電源的電流外，MAX8895還能夠巧妙地處理從適配器和USB電源到電池電源的切換;它允許系統在必要時使用所有可用的輸入功率（圖 3）。這樣，當電池沒電或丟失時，可以立即運行。所有功率轉向MOSFET均集成在一起，無需外部二極管。芯片溫度通過熱調節環路保持較低水平，該熱調節環路可在極端溫度下降低充電電流。

圖3.MAX8895充電器通過USB源自枚舉，根據所連接電源的類型優化設置充電電流。它還可以在啟動深度放電的電池的同時保持系統運行。

添加端口檢測

BC1.1 介紹了用于確定端口類型的硬件檢測方法。預期集成電路將用于此目的，如圖8895中的MAX2，或者該電路將包含在USB收發器中。然而，有時可能首選在現有充電器中添加端口檢測或至少其中的某些子集。圖4顯示了在系統微控制器控制下運行的基本USB充電器檢測方案的電路。這種方法可以檢測 DCP，但無法區分 SDP 和 CDP。它將兩者視為SDP，這意味著在某些情況下，它可能會錯過從CDP獲取更多充電電流的機會。這個缺點在低預算設計中可能是可以接受的。

圖4.高速 USB 開關可實現有限形式的 USB 充電器檢測。

圖 4 連接實現有限的端口檢測，如下所示。當便攜式設備連接到三種端口類型之一時，V總線為 U1 開關和器件的微控制器供電。U1 CB 輸入上的低邏輯電平使其進入檢測模式，其中 D+ 線通過 10kΩ 上拉至系統邏輯電壓，D- 通過 100kΩ 上拉至 GND。如果連接了DCP（將D+短路為D-），則D-將變為高電平。如果連接了SDP或CDP，則D-和檢測輸出將為低電平。如果檢測到SDP或CDP，系統將CB驅動為低電平，使交換機進入數據模式，將D+和D-連接到數據路徑以進行枚舉和其他數據傳輸。上述方案有一個局限性：當附加到 CDP 時，它不會識別，因此不會立即收費，盡管它會在枚舉后從 CDP 收費。

完整的端口檢測如圖 5 所示。MAX14578包含檢測所連接器件（USB電纜、USB CDP或專用充電器）和控制外部鋰離子電池充電器所需的全部電路。該器件實現了符合 USB 電池充電版本 1.1 的檢測邏輯，包括數據接觸檢測、D+/D- 短路檢測和 CDP 識別。此外，它還包括一個充電定時器和弱電池電壓監視器，以支持 USB BC1.1“沒電電池”規定。

MAX14578包括一個數據開關，兼容USB高速和原始（全速和低速）信號。它具有低導通電阻（R上）、低導通電阻平坦度和極低電容。CDN 和 CDP 引腳還具有 ESD 保護，每個人體模型高達 15kV。

圖5.通過MAX1 USB充電端口檢測器和數據開關IC，可將完全兼容的USB BC1.14578端口檢測添加到充電器中。

在圖6中，簡單的Li+充電功能被添加到USB設備中。MAX8814可配置為從100mA或500mA USB端口為電池充電。電路初始化電流為100mA。然后，微處理器枚舉主機以確定其當前功能。如果USB端口支持，則通過在電流設置網絡中打開N1和R1來增加充電電流。高電平電荷標稱值設置為425mA，以避免在考慮容差后超過SDP 500mA限值。充電器還包括一個自動啟動電路，該電路提供輸出信號 （ABO），在連接外部電源時通知系統。雖然USB兼容，但圖6未包含BC1.1，因此需要枚舉才能充電。

圖6.MAX8814為USB設備提供簡單的低引腳數充電方式。枚舉由系統控制，該系統使用 ISET 引腳監視和控制充電電流。此設計與 USB 兼容，但不包含 BC1.1，因此需要枚舉才能充電。

其他收費策略

USB電池充電的前景可能很復雜。便攜式 USB 連接設備不遵循一種格式，并且受到各種限制 - 尺寸、成本和充電時間最為明顯。對這些和其他更微妙的問題進行排名可以幫助您選擇 USB 充電器設計。這些其他設計注意事項包括：

一旦使用外部（USB 或適配器）電源，設備是否能夠在電池沒電的情況下進行全功能操作？

USB 和適配器電源是否需要單獨的輸入連接？

設備是否具有計算能力和固件來協商與 USB 端口的充電決策？

是否可以暫時降低充電電流以減少散熱，還是需要開關模式設計？

需要采取哪些輸入保護措施？

多輸入充電

使用 BC1.1，設備可以僅從 USB 定義的源充電。這些設備變得越來越普遍，但您可能仍然希望保留使用普通的、可能不符合 USB 標準的適配器充電的選項。這最好使用雙輸入充電器來實現，當一個外部電源接管另一個外部電源時，該充電器處理切換。過去，電源切換通常由有損OR-ing二極管或分立MOSFET比較器電路完成，當考慮“潛入”電流路徑和開關時序時，這些電路可能會變得復雜。幸運的是，許多充電器IC（圖7）現在都包含電源切換控制。集成此功能不僅僅是更換外部組件。它還改善了電源變化期間的轉換行為，因為集成充電器知道切換電路正在做什么。

圖7.像MAX8844這樣的雙輸入充電器可處理USB和適配器電源的充電。該器件還可防止高達 28V 的輸入過壓。

接受來自多個電源的充電器（尤其是使用通用套管連接器的充電器）的一個常見問題是可能連接到不正確的適配器。為此，MAX8844可防止對超過7.5V的輸入進行充電。它還可以承受和阻止高達 28V 的輸入。這可以保護電池、充電器和下游電路，防止意外連接到幾乎任何已知的適配器類型。此外，MAX8844還包括過壓保護LDO，由USB和適配器（IN）輸入偏置，可為系統提供30mA電流。無論充電器是否啟用，這些LDO輸出（SAFEUSB和SAFEOUT）都保持打開狀態。該設備執行的其他充電器功能是電池檢測;熱限制可降低充電電流，以在極端環境溫度下保持較低的芯片溫度;以及一個自動引導邏輯輸出，在施加外部電源時向系統發出信號。

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，關鍵的設計決策是充電電路是直接連接到電池和系統負載，還是在連接外部電源時是否需要額外的開關來斷開電池與系統的連接。這兩種情況如圖 8 所示。

圖8.直接連接充電和ADI公司智能電源選擇器圖示?科技。

直接連接架構是最簡單、最經濟的實現方式。如果電池深度放電然后使用外部電源，則其主要缺點會浮出水面。在這種情況下，系統可能無法啟動，直到電池達到可接受的水平。在某些應用中，用戶可能可以等到電池部分充電后再恢復全部功能;然而，在其他應用中，無論電池狀態如何，外部電源連接立即操作都是“必須的”。在后一種情況下，ADI公司的智能電源選擇器技術允許系統在電池處于深度放電狀態時使用外部電源。參見圖 9。

圖9.具有智能電源選擇功能的雙輸入USB/適配器充電器（如MAX8934）可在外部電源接通時立即為系統供電，同時為沒電的電池充電。

在圖9中，系統負載輸出（SYS）和電池（BAT）之間的低電阻（40mΩ）片內MOSFET在充電和放電操作期間提供多種功能。在充電過程中，此智能電源選擇器開關充分利用有限的USB或適配器電源，利用系統不需要的輸入電源為電池充電。它還允許電池用作存儲緩沖器，提供可能暫時超過輸入電流限值的負載峰值。在放電期間，開關提供從電池到系統的低損耗路徑。

系統軟件再次處理與USB主機的通信，并向充電器發送命令。MAX8394管理充電的硬件方面，并提供簡單的掛鉤，用于設置USB和適配器充電相關的充電參數。預設USB輸入電流限值，以確保不超過指定的限值;用戶設置的電流用于適配器。充電器還向系統提供一套完整的狀態和故障信號。

MAX8934具有最新的充電安全特性，包括日本電子和信息技術協會（JEITA）概述的新的溫度相關充電協議，可在高溫下停止或減少充電。此外，輸入具有高達 16V 的過壓保護 （OVP），該器件通過在極端條件下限制充電電流來限制溫升。

開關模式以最少的熱量快速充電高達 2A

一些緊湊型設備需要高充電電流（遠遠超過1A），但不能容忍這些充電速率在線性充電器中產生的多余熱量。在這些情況下，MAX8903（圖10）工作在4MHz DC-DC轉換器，保持元件占位面積小，同時仍從適配器電源向電池提供高達2A的電流。與MAX8934一樣，MAX8903為雙輸入設計，通過單獨的連接容納USB和適配器輸入。電源之間的切換是自動的，輸入電源和電池電源之間的切換也是自動的。

圖 10.MAX8903開關模式充電器具有智能電源選擇器功能，可從適配器輸入端充電，從USB源充電電流高達2A，從USB電源充電電流高達500mA。

MAX8903的4MHz開關速率使開關模式轉換器的無源元件保持極小，因此，一旦考慮到較低的功率損耗，用該器件制成的2A充電器可以小于線性等效充電器。事實上，由于散熱，大多數便攜式設備在任何情況下都不會容忍2A線性充電器設計。

內置過壓和反極性保護

盡管 USB 充電規范對電源適配器和充電器領域施加了一些秩序，但 USB 設計對于便攜式設備來說仍然是一個普遍混亂的環境，特別是對于那些選擇使用無處不在的桶形連接器供電的應用（在許多僅適配器和雙輸入設備上很常見）。對于消費者來說，連接“找到的”適配器太容易了，該適配器可能具有錯誤的輸出電壓甚至錯誤的極性。通過在充電器電源輸入端集成22V正負保護，MAX8900無需外部保護器件或MOSFET開關即可滿足這些設計的需求（圖11）。

圖 11.直接連接開關模式充電器，具有±22V過壓和反極性保護。

MAX8900為直插式充電器，系統通常連接電池。其 3.25MHz 開關模式設計使組件保持小巧，同時以高達 1.2A 的電流充電，散熱最小。除了雙極性輸入保護外，還根據JEITA指南調整充電參數作為溫度的函數，從而提高了電池安全性。

鎳氫從 USB 充電

圖 12.1節鎳氫USB供電開關模式充電器。

盡管Li+電池似乎已經接管了便攜式世界，但NiMH電池并沒有停滯不前。令人驚訝的是，每體積的NiMH能量僅比Li+低約15%，盡管每重量的能量仍然要低得多。NiMH的最大弱點是其高自放電，這在很大程度上可以通過混合NiMH電池來解決，例如SANYO Eneloop電池，一年后保留高達85%的電荷。NiMH電池的吸引力在于成本，安全性和易于用戶更換，至少在使用標準電池時是這樣。??

圖 12 顯示了一個小型便攜式設備，它由一個 AA NiMH 電池供電，并通過 USB 充電。DS2710充電器的開關頻率約為150kHz，電池充電電流為1.1A （典型AA NiMH電池約為0.5°C）。該電路進入電池的電流（1.1A）比從USB端口（500mA）獲得的電流更大，因為降壓比將5V（500mA）轉換為1.5V/1.1A。應該注意的是，充電只能通過500mA或更大的端口進行，因為在低充電速率下無法保證正確的充電終止。因此，當枚舉確定只有100mA可用時，不應激活充電。系統通過關閉Q2使定時器電阻浮出TMR來停用充電器。

該充電器的另一個特別有用的功能是，它可以感應電池阻抗，以確定是否插入了堿性電池或故障電池。如果發生這種情況，充電將暫停。這允許最終用戶在緊急情況下插入堿性電池，而不必擔心意外充電。

USB 3.0 接口

USB 3.0規范為USB帶來了更高的數據速率。該規范的功率方面與USB 2.0相似，只是“單位負載”從100mA提高到150mA，高功率端口必須提供六個而不是五個單位負載。這意味著低功耗USB 3.0端口可以提供150mA，高功率USB 3.0端口可以提供900mA。

“作弊”— 不合規的 USB 充電

與任何用于最初非預期目的的標準一樣，制造商有時會忽略USB 2.0要求的一部分，以便提供至少有限形式的充電。一家大型制造商采用的一種不合規方案是在任何情況下消耗不超過100mA的電流，這樣高功率和低功率集線器都不會過載。將電流限制在此水平的缺點是電池充電時間很長，但如果設備在一天中的大部分時間都停靠在USB端口上，則可能仍然足夠。除了較長的充電時間外，這種方法還有另一個限制：如果系統的電池沒電了，則全部功能將被延遲，直到電池達到足夠的充電水平。

不合規充電的另一個方面與USB掛起的處理有關。USB 2.0規定，在總線不活動一段時間后，所有設備必須掛起（消耗小于2.5mA）。由于在編寫本文時從未包括充電，因此沒有考慮設備在關閉時繼續為電池充電，但仍連接。但是，由于大多數USB主機實際上并沒有關閉電源，因此這種違反規范的行為很少阻止充電。

更大膽的不合規方案假設 500mA 可用，并指示用戶僅插入能夠提供 500mA 的供電端口和集線器。同樣，由于大多數USB端口不會斷開電源，因此這種方法在大多數情況下都有效。當這樣的設備插入不支持500mA的端口時，該端口應該關閉。但是，USB端口的過載行為并不總是很好定義，并可能導致系統重置或損壞。幸運的是，不再需要這種程度的絕望，因為電池充電現在是USB規范的一個活躍部分。

從 USB 充電可以采取多種形式，具體取決于每個 USB 設備的獨特要求。USB 電池充電規范。修訂版 1.1 最終為以前是臨時收費活動增加了急需的統一性。采用BC1.1應該會降低制造商和消費者的成本，并隨著標準適配器的出現而提高互操作性。然而，USB指南僅涵蓋如何從端口獲取電源;它們仍然將電源管理架構和充電細節留給解釋。這就是ADI公司廣泛的充電設備變得重要的地方，因為它們可以幫助加快為幾乎任何USB連接的便攜式設備設計安全可靠的電池充電器。

表1總結了已討論的充電器。

裝置	自動適配器檢測	切換模式	輸入數量	智能電源選擇器功能	過壓保護 （V）	評論
MAX8895		—	1		+16	—
MAX8814	—	—	1	—	+28	8 針器件
MAX8844	—	—	2	—	+28	—
MAX8934	—	—	2		+16	符合JEITA安全標準
MAX8903	—		2		+16	4兆赫直流-直流
MAX8900	—		1	—	±22	負輸入保護
DS2710	—		1	—	—	鎳氫

審核編輯：郭婷