USB电源充电设计技巧与注意事项

几乎所有目前和未来推出的手持设备都要求使用USB电源和AC墙上适配器充电，这给电池充电带来了诸多挑战。本文中，我们将讨论简化USB充电的一些特性。具体而言，就是说哪些特性可以帮助用户设计一种符合USB规范的应用？设计如何能够同时支持USB和AC适配器输入呢？我们将讨论静态电流、输入电压动态电源管理（VIN-DpM）和输入电流极限。下面就以bq2407x系列器件为例来说明一下这些特性。导言

消费者希望其设备的电源线和连接线越来越少，并期望获得通过计算机或AC插座充电的灵活性，因此要求几乎所有目前和未来推出的手持设备都能通过USB电源和AC墙上适配器充电。USB要求给电池充电带来了许多挑战。使用同一条线缆的要求以及由此而来的USB和AC适配器单输入都意味着系统必须能够识别并使用两种电源。本文中，我们以bq2407x系列器件为例来介绍简化便携式应用锂离子（Li-Ion）电池充电系统设计的一些特性和规范。具体而言，我们将讨论输入电流极限、静态电流、输入电压动态电源管理（VIN-DpM）以及中国充电器规范的影响。这些特性简化了便携式应用的充电器设计。输入电流极限

最公认的USB规范是USB设备的电流消耗。USB电源分为低功率和高功率电源。低功率电源被定义为非自供电USB集线器。这些设备使用来自USB电源的500mA电流，且必须在所有连接至集线器的设备之间共用电流。低功率电源可提供4.4V的最低工作电压，其电流极限设定在一个单位负载，即USB1.x和2.0下的100mA。就超高速（SuperSpeed）USB而言，单位负载被增加到了150mA。高功率电源是一些自供电的集线器或者计算机USB端口，其可提供最小工作电压为4.75V，拥有高达5个单位负载的电流，即USB1.x和2.0下每个端口500mA，或者超高速USB下6个单位负载（900mA）。所有设备默认均为低功率模式，但在枚举主机时会要求高功率模式。除高功率和低功率端口以外，许多设备均通过使用相同连接器的AC适配器来运行。这些电源可提供高达1.5A的电流（USB线缆传输能力）。设备不能使用2.5mA以上的电流时，最终模式为挂起模式。USB设备必须支持所有这四种模式，以达到USB规范。充电设备的输入电流极限不能超出USB规范。这就是说您必须在产品说明书中找到技术说明规范以验证在所有工艺差异和温度下均能够保证电流极限不超出USB极限。图1是bq2407x产品说明书的一部分，其清楚地标明了输入电流极限规范。请注意，规范的最大数值为USB极限。这样就可以确保温度、工艺和输入电压下的所有bq2407x器件都在USB规范以内。最大USB规范极限列出的典型值是不允许的，因为一些部件会超出这一值。如果最大数值大于USB规范，则存在违反USB规范的可能性。

图1bq2407x产品说明书的输入电流极限节选主机要求系统进入USB挂起模式时，规范极限为2.5mA。

驱动EN1和EN2为高电平使得bq2407x进入USB挂起模式。这种模式下，静态电流减少至50μA（最大）。如果其他电路由VBUS电源供电运行，则这会给设计人员带来较大的裕量。就待机模式电流规范而言，其通常出现在电气特性表的静态电流部分。图2显示了bq2407x的静态电流。请注意，在USB挂起模式（EN1=EN2=HI）下，最大静态电流为50μA（VBUS=6V），其大大低于USB挂起模式的2.5mA要求。

图2、bq2407x产品说明书的静态电流部分节选USB启动问题

USB2.0规范规定“并联一个单位负载时（100mA），线缆下行端允许的最大负载（CRpB）为10μF。10μF电容代表一个VBUS线之间直接连接的旁路电容器，加上通过设备调节器的所有可见电容效应。”［1］。要对此进行测试，USB-IF测试程序文档1.3版描述为“USB规范允许高达10uF硬启动，其可形成50.0uC的最大浪涌电流值。”［2］50μC由公式1计算得到：我们如何将其变为电流极限呢？安培单位为库仑每秒。这就是说在启动期间，电流极限以上的最大浪涌电流乘以电流极限以上的时间，所得结果必须小于50μC。如公式2所示：请注意，IIN_AVG代表浪涌电流期间的平均输入电流。充电器设备的输入电流极限必须防止来自USB电源的电流超出50μC。图3显示了在100mA模式下bq2407x的启动情况。请注意，高亮区域代表允许的过冲充电区域。bq2407x的输入电容要求为1μF。这超出了符合输入电容规定的程度。输入电流极限让设计人员不必担心系统的电容值，因为USB电源绝不会出现这种电流。

图3输入电流启动波形，EN1=EN2=GND，VBAT《VWEAKBATTbq2407x的输入电容要求为1μF。

硬启动1μF要求5μC。这种启动的系统电容为47μF，其不能直接通过USB端口启动。就输入电流极限而言，硬启动系统电容并开始充电都不成问题。输入电流阈值小于100mA规范，因此首次启动以后，便不会违反USB100规范。弱电池阈值

USB规范要求在VBUS电源的电流大于2.5mA以前枚举主机。但是，规范中有一条关于零电量、弱电量或无电池情况的规定。规定如下：“一个零电量、弱电量或无电池情况的设备需要在连接后100ms左右的时间提供100mA的电流，以确定它是否可以连接。”［3］如果设备不能在100ms时间内以100mA启动，则可能会出现问题。为了解决这个问题，USB规范增加了一条电池充电的具体规定。其规定“如果便携式设备不能以低于100mA的电流上电并连接，该零电量或弱电量电池的设备则可以使用主机提供的100mA电流首先将其电池充电至其弱电量电池阈值。一旦达到其弱电量电池阈值，立即要求设备上电并连接。”［4］在弱电量电池阈值以上，假设电池足以为主机供电，因此主机开启。每种应用都定义了其自身的弱电量电池阈值。bq2407x的硬件使能以及一个简单的电压探测器使得设计人员能够轻松地满足这一要求。

图4显示的是弱电量电池阈值情况下的一款简单解决方案。

图4弱电量电池检测实施必须对电压探测器进行应用弱电量电池阈值设置。

例如，TpS3836有数个有效阈值。另外，为了获得最大的灵活性，一些电压探测器提供了可调节阈值。就这种应用来说，重要的电压探测器特性是一种有源低电平RESET（VIN《VTHRESHOLD时为低电平）推/拉输出，这样它便可以与主机输出隔离。一旦主机出现，它便关闭电压探测器，或者停止上拉。主机输出的下拉力必须要大于将电压探测器输出与EN1和EN2隔离的一些电阻。图5显示了实施波形。将弱电量电池阈值设定为3.3V。当插入3.5V电池时，其被识别为一块状态良好的电池，同时EN1和EN2被TpS3836拉为高电平。枚举主机以后，主机拉低EN2，以将bq24072电池充电器设置为USB500模式。这种方法假定HOST关闭时HOSTGpIO为高阻抗。

图5弱电量电池实施举例基于输入电压的动态电源管理（VIN-DpM）

USB规范规定，在通过所有集线器和线缆以后的满负载条件下，低功率端口设备的输出可以低至4.4V。一些设备实施了基于输入电压的动态电源管理（VIN-DpM）。该环路降低了输入电流极限，以防止输入崩溃。图6显示了无VIN-DpM保护情况下USB端口过负载的后果。请注意，当输入电压降至“电源良好”阈值以下时，充电器关闭。这样会关闭电源的负载，并允许输入电压恢复，从而开启充电器。这种开/关脉冲是多余的。

图6无VIN-DpM的输入崩溃VIN-DpM通过限制输入电流来阻止出现脉冲，从而防止输入电源崩溃。

图7显示了使用bq2407x充电器时USB端口过载的结果。VIN-DpM功能生效来降低输入电流极限，并防止电源崩溃。

图7使用了VIN-DpM的输入过载保护中国充电器标准

展望未来，中国针对在中国销售的充电器适配器制定了一套标准，旨在减少每年1亿多淘汰手持设备的废弃适配器数量。这种新的标准使用了许多USB规范。就这点而言，其要求适配器电源线有一个标准的A型USB连接器，以插入AC适配器或标准的USB端口。充电器必须能提供300mA和1.8A之间的电流。额定适配器电压为5V+/–5%，而且充电器必须工作在低于6V的电源下。电源超过6V时，下游电路必须得到保护。许多电池充电器IC都具有帮助达到中国充电器标准的功能。顾名思义术语“通用充电器”，即充电器IC的输入必须稳健到能够应对许多不同的电源，并且不再是只为单个特定适配器而进行设计。它们必须能够经受得住高压电源（例如：12V车载电源等）的意外接入。如bq2407x等器件的宽输入电压范围可在高达28V的输入瞬态电压条件下为下游设备提供保护。这种高输入电压范围和过压保护（OVp）功能可保护电池充电器和下游设备免受错误或潜在有害输入电源的损坏。VIN-DpM特性还有助于达到中国充电器标准。通用适配器可提供300mA和1.8A之间的电流。使用没有VIN-DpM的设备时，如果IC编程为500mA输入电流极限，则会使300mA适配器崩溃。VIN-DpM功能可防止输入在连接弱适配器时崩溃，而且仍然允许将电流极限针对典型适配器进行设置以最大化充电时间。

结论

消费者希望其设备的电源线和连接线越来越少，并期望获得通过计算机或AC插座充电的灵活性，因此要求许多目前和未来推出的手持设备都能通过USB电源和AC墙上适配器充电。这样，手持设备就必须要符合USB规范。这些要求给电池充电带来了诸多新的挑战。本文中，我们使用了bq2407x系列器件来介绍一些输入电流极限规范、静态电流、输入电压动态电源管理（VIN-DpM）的例子，这些特性简化了电池充电器的设计。另外，我们还探讨了中国充电器标准对充电器设计的影响。我们简要介绍的这些规范和特性简化了充电器设计。