USB电池充电基础:应急指南

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  内置过压和极性反接保护

  尽管USB充电规范对电源适配器和充电器进行了一定程度的强制要求,但是针对便携设备的USB设计仍然比较混乱,尤其是那些选择使用普通圆形插头作为电源的应用(只使用适配器或者是双输入设备非常普遍)。用户极容易使用“随手找到”的、但输出电压甚至极性是错误的适配器。通过在充电器电源输入端集成正、负22V保护,MAX8900能够减轻设计人员的负担:无需外部保护器件或MOSFET开关(图11)。

 
 图11. 具有±22V过压和极性反接保护的直接连接开关模式充电器

  MAX8900是一款直接连接充电器,系统通常连接至电池。其3.25MHz开关频率允许使用非常小的外围器件,并提供高达1.2A的充电电流,热耗非常低。除了双极性输入保护外,还根据JEITA规定,按照温度的变化调整充电参数。

  通过USB为NiMH电池充电

 
 图12. USB供电的单节NiMH电池开关模式充电器

  虽然表面上Li+电池已经占据整个便携世界,但NiMH电池并没有被完全遗弃。令人吃惊的是,尽管单位重量的能量仍然有较大差距,但其单位体积的能量仅比Li+电池低大约15%。NiMH电池的最大缺点是自放电率较高,混合型NiMH电池在很大程度解决了这一问题,例如SANYO? Eneloop?电池,静态下一年之后仍然能够保留85%的电量。NiMH电池的吸引力在于成本低、安全性高、用户更换方便等,至少标准电池具备这些优势。

  图12所示便携设备由一节AA型NiMH电池供电,利用USB充电。DS2710充电器开关频率大约为150kHz,电池充电电流为1.1A (典型AA型NiMH电池在大约0.5°C条件下)。由于降压转换器将5V、500mA转换成电池充电时的1.5V、1.1A,电路供给电池的电流(1.1A)大于从USB接口获得的电流(500mA)。需要注意的是,由于在低充电速率下不能正确判断充电终止,只能采用500mA或更大功率的端口进行充电。所以,当枚举确定只有100mA电流可用时,不应激活充电。系统通过关闭TMR上的Q2,使定时器电阻悬空,停止充电。

  该充电器另外一项特别有用的功能是:通过检测电池阻抗确定接入的是否为碱性电池或故障电池,检测到这种状况时将禁止充电。这就允许用户在紧急情况下插入碱性电池,无需担心意外充电。

  USB 3.0

  USB 3.0规范进一步提高了USB的数据速率。规范在电源方面与USB 2.0相似,只不过“单位负载”从100mA增大至150mA,大功率端口不得不提供6个(而不是5个)单位负载。这就意味着低功率USB 3.0端口可提供150mA电流,大功率USB 3.0端口可提供900mA电流。

  “假象”—非标准USB充电

  与所有增加的不同于原始应用的标准一样,制造商有时为了提供至少受限的充电架构而忽略了USB 2.0规范的部分要求。通常这种非标准设备在任何条件下吸收的电流都不大于100mA,所以,无论是大功率还是低功率集线器都不会过载。将电流限制在这一水平的缺点是电池充电时间较长,但如果设备在大部分时间都连接至USB端口,或许仍可接受。除了充电时间较长外,这种方式还有另外一个局限性:如果系统电池已完全放电,启动所有系统功能须延迟到电池达到足够电量的水平。

  非标准充电的另一方面涉及到USB挂起的处理。USB 2.0规定所有设备在一定周期内没有总线操作时必须挂起(吸收电流小于2.5mA)。由于编制该规范时没有包括充电,所以没有考虑设备在关闭时继续保持电池充电的情况。然而,由于大多数USB主机实际并不关闭电源,这种违反规范的操作也很少妨碍充电。

  非标准充电假设可以获得500mA电流,指示用户插入到能够提供500mA电流的电源端口和集线器。如上所述,由于大多数USB端口不关闭电源,这种方法在大多数情况下有效。当这样的设备插入到不支持500mA电流的端口时,端口将按规定关断。然而,USB端口的过载状况并非任何情况下都给出了清晰的定义,会导致系统复位或损坏。幸运的是,电池充电已经是USB规范的一个有机组成部分,所以不再需要如此的冒险操作。

  结论

  USB充电具有多种形式,取决于不同USB设备的独特要求。USB电池充电规范1.1版最终对之前的许多充电操作进行了规范。随着BC1.1标准的普及,将会降低制造商和消费者的成本。该标准应用的普及也会提高系统的互操作性。尽管如此,USB规范也仅仅规定了从端口获取多大功率,仍然将电源管理架构和充电规范留给用户去判读。这正是Maxim各种充电器件的用武之地,它们能够为几乎所有USB连接的便携设备提供安全、可靠的电池充电器。

  表1汇总了以上讨论的充电器,这些仅仅是Maxim产品的一小部分,更多产品选择请访问电池管理。

表1. 具有代表性的USB电池充电器