用USB為電池充電

概述

通用串行總線(USB)端口是一種帶有電源和地的雙向數(shù)據(jù)端口。USB可以連接所有類型的外圍設(shè)備，包括外部驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)設(shè)備、鍵盤、鼠標(biāo)、無線接口、攝像機(jī)和照相機(jī)、MP3播放器以及數(shù)不盡的各種電子設(shè)備。這些設(shè)備有許多采用電池供電，其中一些帶有內(nèi)置電池。對于電池充電設(shè)計(jì)來說，應(yīng)用廣泛的USB既帶來了機(jī)遇，也帶來了挑戰(zhàn)。本文闡述了如何將一個(gè)簡單的電池充電器與USB電源進(jìn)行接口。文章回顧了USB電源總線的特性，包括電壓、電流限制、浪涌電流、連接器以及電纜連接問題。同時(shí)介紹了鎳氫電池(NiMH)和鋰電池技術(shù)、充電方法以及充電終止技術(shù)。給出了一個(gè)完整的示例電路，用于實(shí)現(xiàn)USB端口對NiMH電池智能充電，并給出了充電數(shù)據(jù)。

USB特性

USB總線能夠?yàn)榈凸碾娮釉O(shè)備提供電源。總線電源與電網(wǎng)隔離，并且具有很好的穩(wěn)定性。但是，可用電流有限，同時(shí)負(fù)載和主機(jī)或電源之間存在潛在的互操作問題。

USB端口由90?雙向差分屏蔽雙絞線、V_BUS (+5V電源)和地組成。這4條線由鋁箔內(nèi)屏蔽層和編織網(wǎng)外屏蔽層進(jìn)行屏蔽。最新的USB規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是2.0版，可以從USB組織免費(fèi)獲得。要做到完全符合該規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，需要通過一個(gè)功能控制器來實(shí)現(xiàn)設(shè)備和主機(jī)間的雙向通信。規(guī)范定義了1個(gè)單位負(fù)載為100mA (最大)。任何設(shè)備允許吸取的最大電流為5個(gè)單位負(fù)載。

USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類，低功率端口可提供1個(gè)單位負(fù)載的電流，大功率端口可最多提供5個(gè)單位負(fù)載的電流。當(dāng)設(shè)備剛連接到USB端口時(shí)，枚舉過程對器件進(jìn)行識(shí)別，并確定其負(fù)載要求。在此過程中，只允許設(shè)備從主機(jī)吸取最多1個(gè)單位負(fù)載的電流。枚舉過程完成后，如果主機(jī)的電源管理軟件允許，則大功率設(shè)備可以吸取更大的電流。

某些主機(jī)系統(tǒng)(包括下游USB集線器)通過保險(xiǎn)絲或者有源電流檢測器提供限流功能。如果USB設(shè)備未經(jīng)過枚舉過程便從USB端口吸取大電流(超過1個(gè)單位負(fù)載)，則主機(jī)會(huì)檢測到過流狀態(tài)，并會(huì)關(guān)閉正在使用的一個(gè)或多個(gè)USB端口。市場上供應(yīng)的許多USB設(shè)備，包括獨(dú)立電池充電器，都沒有功能控制器來處理枚舉過程，但吸取的電流卻超過了100mA。在這種不恰當(dāng)?shù)臈l件下，這些設(shè)備可能導(dǎo)致主機(jī)出現(xiàn)問題。例如，如果一個(gè)吸取500mA電流的設(shè)備插入總線供電的USB集線器，而且未進(jìn)行正確的枚舉過程，則可能導(dǎo)致集線器端口和主機(jī)端口同時(shí)過載。

主機(jī)操作系統(tǒng)采用高級電源管理時(shí)情況會(huì)更加復(fù)雜，特別是筆記本電腦，它總是希望端口電流盡可能低。在某些節(jié)電模式下，計(jì)算機(jī)會(huì)向USB設(shè)備發(fā)出掛起命令，而后則認(rèn)為設(shè)備進(jìn)入了低功耗模式。設(shè)備中包含一個(gè)能與主機(jī)進(jìn)行通信的功能控制器始終是一個(gè)比較好的做法，即使對于低功耗設(shè)備來說也是如此。

USB 2.0規(guī)范非常全面，規(guī)定了電源的質(zhì)量、連接器構(gòu)造、電纜材質(zhì)、容許的電壓跌落以及浪涌電流等。低電流和大電流端口具有不同的電源指標(biāo)。這主要是由主機(jī)和負(fù)載間的連接器和電纜上的電壓跌落決定的，并包括由USB供電的集線器上產(chǎn)生的電壓跌落。包括計(jì)算機(jī)或者自供電USB集線器在內(nèi)的主機(jī)，都具有大電流端口，可提供最大500mA的電流。無源、總線供電的USB集線器具有低電流端口。表1列出了USB大電流和低電流端口上游端(電源)引腳允許的電壓容限。

表1. USB 2.0規(guī)范電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

ParameterRequirementDC voltage, high-power port*4.75V to 5.25VDC voltage, low-power port*4.40V to 5.25VMaximum quiescent current (low power, suspend mode)500µAMaximum quiescent current (high power, suspend mode)2500µAMaximum allowable Input capacitance (load side)10µFMinimum required output capacitance (host side)120µF ±20%Maximum allowable inrush charge Into load50µC

*這些指標(biāo)適用于上游端主機(jī)或集線器端口的連接器引腳。電纜和連接器上的I x R跌落需另外考慮。

在符合USB 2.0規(guī)范的主機(jī)中，大功率端口的上游端具有120µF、低ESR電容。所連接的USB設(shè)備的輸入電容限制在10µF以內(nèi)，在最初的負(fù)載連接階段，允許負(fù)載從主機(jī)(或自供電集線器)吸取的最大電荷數(shù)為50µC。這樣一來，當(dāng)新設(shè)備連接至USB端口時(shí)，上游端口的瞬態(tài)電壓跌落小于0.5V。如果負(fù)載正常工作時(shí)需要更大的輸入電容，則必須提供浪涌電流限制器，以保證對更大的電容充電時(shí)電流不會(huì)超過100mA。

當(dāng)USB端口帶有一個(gè)總線供電的USB集線器，集線器上接了低功耗設(shè)備時(shí)，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負(fù)載與總線供電的集線器連接時(shí)，電壓跌落將超過圖1給出的指標(biāo)，并會(huì)引起總線過載。


圖1. 主機(jī)至低功率負(fù)載的電壓跌落大于圖中給出的允許直流電壓跌落時(shí)，會(huì)引起總線過載。

電池充電要求

單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池

如今的鋰電池充電至最大額定容量后，其電壓通常為4.1V至4.2V之間。當(dāng)前市場上正在出售的、更新的、容量更大的電池，其電壓范圍在4.3V至4.4V之間。典型的棱柱形鋰離子(Li+)和鋰聚合物(Li-Poly)電池容量為600mAh至1400mAh。

對Li+和Li-Poly電池來說，首選的充電曲線是從恒流充電開始，一直持續(xù)到電池電壓達(dá)到額定電壓。然后，充電器對電池兩端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。這兩種調(diào)節(jié)方式構(gòu)成了恒流(CC)恒壓(CV)充電方式。因此，這種類型的充電器通常稱為CCCV充電器。CCCV充電器進(jìn)入CV模式后，電池的充電電流開始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當(dāng)電池達(dá)到其充滿容量的80%至90%時(shí)，充電器由CC模式轉(zhuǎn)換為CV模式。充電器一旦進(jìn)入CV充電模式，則對電池電流進(jìn)行監(jiān)視；當(dāng)電流達(dá)到最低門限(幾毫安或者幾十毫安)時(shí)，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線如圖2所示。


圖2. 使用CCCV充電器對Li+電池充電時(shí)的典型曲線

從圖1所示的USB電壓跌落指標(biāo)可以看出，端口供電集線器的下游低功率端口電壓不具備足夠的余量，很難將電池充至4.2V。充電通路上存在的小量額外電阻會(huì)妨礙正常充電。

Li+和Li-Poly電池應(yīng)在合適的溫度下進(jìn)行充電。制造商推薦的最高充電溫度通常為+45°C至+55°C之間，允許的最大放電溫度可再高出10°C左右。這些電池使用的材料，化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡绻姵販囟瘸^+70°C，會(huì)發(fā)生燃燒。鋰電池充電器應(yīng)具備熱關(guān)斷電路，該電路監(jiān)視電池溫度，如果電池溫度超過制造商推薦的最大充電溫度時(shí)，則終止充電。

鎳氫電池(NiMH)

NiMH電池比鋰電池要重一些，其能量密度也比鋰電池低。一直以來，NiMH電池比鋰電池要便宜，但是最近二者的價(jià)格差在縮小。NiMH電池具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在大多數(shù)應(yīng)用中可直接替換堿性電池。每節(jié)電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，充滿后會(huì)達(dá)到1.5V。

通常采用恒流源對NiMH電池充電。當(dāng)達(dá)到充滿狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，并導(dǎo)致電池溫度上升，電池端電壓降低。可檢測電池溫度上升速率或者負(fù)向電壓變化率，并用來終止充電。這些充電終止方法分別稱為dT/dt和-ΔV。充電速率非常低時(shí)，dT/dt和-ΔV不太明顯，很難精確檢測到。電池開始進(jìn)入過充狀態(tài)時(shí)，dT/dt和-ΔV響應(yīng)開始顯現(xiàn)。此時(shí)如果繼續(xù)充電，將損壞電池。

終止檢測在充電速率大于C/3時(shí)要比低充電速率時(shí)容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鐘，-ΔV響應(yīng)也比低充電速率時(shí)更明顯。快充結(jié)束后，建議以更小的電流再充一段時(shí)間，以徹底充足電池(補(bǔ)足充電)。補(bǔ)足充電階段結(jié)束后，采用C/20或者C/30的涓充電流來補(bǔ)償自放電效應(yīng)，使電池維持在充滿狀態(tài)。圖3所示為采用DS2712 NiMH充電器對NiMH電池(事先已充了一部分電)進(jìn)行充電的電池電壓曲線。在該圖中，上面一條曲線的數(shù)據(jù)在充電電流正在灌入電池時(shí)獲得，下面那條曲線的數(shù)據(jù)在切斷電流時(shí)測得。在DS2712中，該電壓差被用來區(qū)分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，則DS2712不會(huì)對它進(jìn)行充電。


圖3. 采用DS2712充電控制器對NiMH電池充電。

開關(guān)與線性

USB 2.0規(guī)范允許低功率端口提供最大100mA電流，大功率端口提供最大500mA電流。如果采用線性調(diào)整器件來調(diào)節(jié)電池充電電流，這也就是最大可提供的充電電流。線性調(diào)整器件(圖4)的功耗為P = V_Q x I_BATT。這會(huì)造成調(diào)整管發(fā)熱，可能需要安裝散熱器，以防止過熱。


圖4. 功耗等于電池充電電流乘以調(diào)整管兩端的電壓。

對應(yīng)5V標(biāo)稱輸入電壓，調(diào)整器件消耗的功率與電池類型、數(shù)量和電池電壓有關(guān)。


圖5. 采用5.0V電壓的USB端口對NiMH電池充電時(shí)，線性調(diào)整器件的功耗。

標(biāo)稱輸入電壓為5.0V時(shí)，線性USB充電器對NiMH電池充電的功耗計(jì)算結(jié)果如圖5所示。對單節(jié)電池充電時(shí)，線性充電器的效率僅為30%；對兩節(jié)電池充電時(shí)，效率為60%。用500mA電流對單節(jié)電池充電時(shí)，功耗會(huì)高達(dá)2W。這樣的功耗通常需要加散熱器。功耗為2W時(shí)，熱阻為+20°C/W的散熱器在+25°C環(huán)境溫度下會(huì)被加熱至大約+65°C，要得到滿額性能，還需要有流動(dòng)空氣來協(xié)助其散熱。處于空氣靜止的封閉空間內(nèi)，溫度會(huì)更高。

采用基于開關(guān)調(diào)節(jié)器的充電器可解決多個(gè)問題。首先，與線性充電器相比，能夠以更快的速率、更大的電流對電池進(jìn)行充電(圖6)。由于功耗較低、發(fā)熱較少，熱管理方面的問題也減少了。同時(shí)，由于運(yùn)行溫度降低，充電器更加可靠。


圖6. 對單節(jié)NiMH電池充電時(shí)，線性充電器和開關(guān)充電器的充電時(shí)間不同。

圖6中的計(jì)算結(jié)果基于以下條件和假設(shè)得到：采用高功率USB口最大允許電流(500mA)的大約90%充電；開關(guān)調(diào)節(jié)器采用非同步整流的buck轉(zhuǎn)換器，具有77%效率。

電路實(shí)例

圖7所示電路是用于單節(jié)NiMH電池充電的開關(guān)模式降壓型調(diào)節(jié)器。它采用DS2712充電控制器調(diào)節(jié)充電電流和終止充電。充電控制器監(jiān)視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過+45°C或者低于0°C，控制器不會(huì)對電池充電。


圖7. USB端口對單節(jié)NiMH電池快速充電的原理圖。

如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開關(guān)功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續(xù)流或整流二極管。輸入電容C1為10µF、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會(huì)使充電器的性能降低。R7是電流調(diào)節(jié)器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準(zhǔn)電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過CSOUT提供閉環(huán)、開關(guān)模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時(shí)，使能Q1的柵極驅(qū)動(dòng)。Q1和Q2均為低Vt (柵-源門限電壓)的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時(shí)，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構(gòu)成了Q1的柵極開關(guān)電壓。

CC1為低電平時(shí)，啟動(dòng)電流閉環(huán)控制。圖8所示為啟動(dòng)開關(guān)時(shí)的波形。上方波形是0.125? (檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開始時(shí)，當(dāng)Q1打開(CC1和CSOUT均為低電平)時(shí)，電感電流向上爬升。當(dāng)電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達(dá)到0.125V時(shí)，CSOUT變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)關(guān)斷。此后，電感電流開始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達(dá)到約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖健Ｖ灰狢C1為低電平，該過程將一直持續(xù)。


圖8. USB NiMH充電器的啟動(dòng)波形。

DS2712的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制著CC1的工作。充電開始時(shí)，DS2712先對電池進(jìn)行狀態(tài)測試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認(rèn)溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過1.0V后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)為快充模式。快充時(shí)占空比為31/32，即大約97%。“跳過”的間隙內(nèi)進(jìn)行電池阻抗測試，以確保不會(huì)對錯(cuò)誤放入充電器的高阻抗電池(例如堿性電池)進(jìn)行充電。檢測到-2mV的-ΔV后，快充結(jié)束。如果未檢測到-ΔV，將持續(xù)快充，直到快充定時(shí)器超時(shí)，或檢測到過溫或者過壓故障狀態(tài)(包括阻抗不合格)為止?？斐渫瓿?由于-ΔV或快充定時(shí)器超時(shí)) 后，DS2712進(jìn)入定時(shí)補(bǔ)足充電模式，占空比為12.5%，持續(xù)時(shí)間為所設(shè)快充定時(shí)的一半。補(bǔ)足充電完成后，充電器進(jìn)入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。

采用圖7所示充電器和大功率USB端口對2100mAh NiMH電池充電時(shí)，快充時(shí)間為2小時(shí)多一點(diǎn)，大約3個(gè)小時(shí)完成包括補(bǔ)足充電在內(nèi)的全部充電過程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機(jī)進(jìn)行枚舉過程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯(lián)一個(gè)開漏極nMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，則TMR浮空，DS2712進(jìn)入掛起狀態(tài)。

總結(jié)

對于小型消費(fèi)類電子設(shè)備的電池充電而言，USB端口是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的電源。為完全符合USB 2.0規(guī)范，連接在USB端口上的負(fù)載必須能夠與主機(jī)進(jìn)行雙向通信。負(fù)載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機(jī)確定何時(shí)需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統(tǒng)能夠適應(yīng)大部分USB主機(jī)，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。只有很好地理解USB規(guī)范要求和負(fù)載的期望，才能在對于規(guī)范的兼容性與負(fù)載復(fù)雜度之間取得較好的平衡。