高效USB端口電池充電設(shè)計方案

USB為多種便攜設(shè)備提供了通過單個“通用”電源充電的手段，從而更加方便。但是這方面也存在著許多挑戰(zhàn)。以前的USB充電能力相當(dāng)有限；標(biāo)準(zhǔn)USB主機端口的電流確實只適合為計算機外設(shè)（比如鍵盤，鼠標(biāo)和讀卡器）進行供電。USB2.0支持的供電電流可達500mA,可以為電池緩慢充電。與此同時，大家期待的是如何大幅縮短充電時間。

在這個環(huán)境下，2011年初推出的1.2版USB充電規(guī)范，提出了新的供電模式，增加了為設(shè)備電池充電的靈活性。本文將介紹可支持最大1.8A電流的專用充電接口（DCP）的概念。這幾乎是標(biāo)準(zhǔn)下行端口（SDP）USB2.0連接承載電流的4倍，從而能夠極大加快充電時間。

關(guān)于DCP

USB接口有4條屏蔽線。它們是：用于給連接外設(shè)供電的VBUS,負數(shù)據(jù)端D-,正數(shù)據(jù)端D+以及接地GND（圖1）。在DCP中，D+和D-通過一個 200Ω電阻短接在一起，防止數(shù)據(jù)傳輸。它向連接外設(shè)指示，端口完全集中在充電功能，不能提供主控功能。通過USB端口進行連接的任何便攜設(shè)備能夠區(qū)分它是處于DCP或是SDP相當(dāng)重要。這樣使它能夠利用更大的可用充電電流。

圖1:DCP與SDP的不同點

圖2:傳統(tǒng)的USB電池充電線路

飛特蒂亞（FTDI）公司致力于簡化USB充電，以便將開發(fā)時間、系統(tǒng)復(fù)雜性和工程資源的利用降低到最低限度，以獲取最大的投資回報。這樣便引出了X- CHIP系列USB控制器IC，其主要特征是支持USB電池充電的新概念。每個IC的內(nèi)部電路使采用該芯片設(shè)計的便攜設(shè)備能夠檢測到何時設(shè)備連接到了DCP。一旦檢測到DCP，X-CHIP便在其某個CBUS引腳上發(fā)出一個信號，啟動充電。

圖3描述了基于X-CHIP的電池充電應(yīng)用。電路在連接到USB主機端口或DCP的時候會為電池充電。CBUS引腳可用于控制電池充電率（取決于所檢測到的電源和相應(yīng)的電流限值）。電池的充電率由連接到凌力爾特公司（Linear）電池充電控制器LTC4053的PROG引腳的電阻決定。

圖3:簡化的USB充電線路

CBUS管腳包括BCD#、PWREN#和SLEEP#.BCD#是漏極開路低電平有效輸出信號。它用來指示X-CHIP何時被連接到DCP. PWREN#是漏極開路低電平有效輸出信號。它顯示X-CHIP已經(jīng)被USB主控制器所列舉。該信號用于選擇PROG引腳上的電阻值，以便驅(qū)動500mA 充電。SLEEP#是推挽式低電平有效輸出信號。它顯示X-CHIP何時進入USB掛起模式。該信號用于在設(shè)備由USB主機供電，主控端將X-CHIP設(shè)置為掛起模式時，切斷LTC4053電源。

在圖3中，LT4053的PROG引腳的阻抗由電阻R12,R13和R14設(shè)置。BCD#用于配置PROG引腳的電阻網(wǎng)絡(luò)以達到約1A的充電電流。

BCD#，PWREN#和SLEEP#輸出設(shè)計是為了將充電應(yīng)用的外部電路最小化。通常，外部MOSFET器件需要選擇范圍。正如前文所提，X-CHIP 驅(qū)動BCD#信號來指示DCP的檢測。漏極開路輸出將R14短路到地，從而LTC4053 PROG引腳的阻抗將為16.5kΩ與1.5kΩ電阻并聯(lián)到地。這能夠觸發(fā)將近1A的充電電流。當(dāng)X-CHIP連接到標(biāo)準(zhǔn)USB主控制器時，這個引腳不會驅(qū)動，設(shè)備作為一個傳統(tǒng)的USB接口芯片來工作。由于BCD#信號是沒有內(nèi)部上拉的漏極開路輸出，它可用來將電阻R14下拉到地，而不需要使用任何外部MOSFET。

在設(shè)備啟動時，CBUS引腳默認為輸入，并具有微弱的上拉，直到讀取MTP ROM。這將發(fā)生將近14ms時間，之后，CBUS引腳將采用它們所選的功能，像本文中所描述的那樣工作。

本文小結(jié)

得益于USB的廣泛應(yīng)用，USB端口顯然是便攜式設(shè)備獲取電源的便利之所，通過單獨互連便可以提供10W功率，供應(yīng)給各種不同的設(shè)備。而且，各國（包括中國和歐盟成員國）USB充電標(biāo)準(zhǔn)化的推行使消費者能夠采用更少的充電電纜。這將在增加便利的同時，減少每年進入環(huán)境的電子廢物的數(shù)量（這主要是由定制適配器產(chǎn)生的）。通過使用集成方式而不是依賴于分立器件，能夠創(chuàng)建空間、器件和工程資源方面更優(yōu)的充電電路。USB不僅是最受歡迎的數(shù)字互聯(lián)線，而且是電子產(chǎn)品供電和電池充電的關(guān)鍵系統(tǒng)部件。