USB電池充電電路

　　USB標準其中一個特性是從主機為插入的USB外設供電。從過去的串行和并行端口變化到USB，這種進步可使連接到PC的各種器件數(shù)大大增加。

　　除直接供電USB器件外，USB更有用的一個功能是用USB電源進行電池充電。由于很多便攜裝置（如MP3播放機，PDA）與PC交換信息，所以，電池充電和數(shù)據(jù)交換同時在一條纜線上進行將會使裝置方便性大大增強。把USB和電池供電功能結合起來，擴大了“非受限”裝置（如移動web相機連接PC或不連接PC工作）的工作范圍。在很多情況下，不必攜帶不方便的AC適配器。

　　從USB對電池充電可以復雜也可以簡單，這取決于USB設備要求。對設計有影響的因素通常是“成本”、“大小”和“重量”。其它重要的考慮包括：1）當設備插入到USB端口時，帶放電電池的設備能夠以多快的速度進入完全工作狀態(tài)；2）所允許的電池充電時間；3）受USB限制的電源預算；4）包含AC適配器充電的必要性。本文從電源觀點詳述USB之后，將針對這些問題給出解決方案。

　　圖1 USB電壓降（來自通用串行總線規(guī)定Rev2.0）

　　圖2 USB器件插孔

　　圖3 從USB簡單充電100mA和從AC適配器充電350mA不需要枚舉，這是因為USB充電電流不超過“一個單元負載”（100mA）。3.3V系統(tǒng)負載總是從電池汲取電流

　　USB電源

　　所有主機USB設備（如PC和筆記本電腦）至少可以供出500mA電流或每個USB插口提供5個“單元負載”。在USB述語中，“一個單元負載”是 100mA。自供電USB插孔也可以提供5個單元負載?？偩€供電USB插孔保證提供一個單元負載（100mA）。根據(jù)USB規(guī)范和圖1的說明，在纜線外設端，來自USB主機或供電插孔的最小有效電壓是4.5V，而來自USB總線供電插孔的最小電壓是4.35V。這些電壓在為鋰離子電池充電時（一般需要 4.2V），其余量是很小的。

　　插入USB端口的所有設備開始汲取的電流不得大于100mA。在與主機通信后，器件可決定它是否可以占用整個500mA。

　　USB外設包含兩個插孔中的一個。兩個插孔都比PC和其他USB主機中的插口要小?！癝eriesB“和更小的“Series Mini-B”插孔示于圖2。從SeriesB的引腳1（+5V）和4（地）和Series Mini-B的引腳1（+5V）和5（地）得到電源。

　　一旦連接，所有USB設備需要主機對其加以識別。這稱之為“枚舉”。在識別過程中，主機決定USB設備的電源以及是否為其供電，對于被認可的設備可以將負載電流從100mA增大到500mA。

　　簡單的USB/AC適配器充電電路

　　某些非?；镜脑O備不希望額外的軟件開銷，此開銷對有效USB電源的分類和最佳使用是需要的。若設備負載電流限制到100mA（在USB中稱之為“一單元負載”），則任何USB主機、自供電插孔可以對設備供電。對于這樣的設計，一個非常基本的充電器和穩(wěn)壓器電路示于圖3。

　　每當器件連接USB或插入AC適配器時，此電路就為電池充電。在同一時間，系統(tǒng)負載總是連接到電池，在這樣的情況下，通過簡單的線性穩(wěn)壓器（U2）可提供高達 200mA電流。若系統(tǒng)連續(xù)地汲取這樣的電流量而電池正在以100mA電流從USB充電，則電池仍將放電，這是由于負載電流超過了充電電流。在大多數(shù)的小系統(tǒng)中，峰值負載只發(fā)生在總工作時間的一小部分時間內，所以只需要平均負載電流小于充電電流，電池仍將充電。當連接AC適配器時，充電器（U1）最大電流增加到350mA。若在同一時間連接USB和AC適配器，則AC適配器自動處于優(yōu)先供電的地位。

　　U1的一個特性是USB規(guī)范所要求的（也是一般充電器的法則），即決不允許電流從電池或其他電源輸入回饋到電源輸入。在一般充電器中，用輸入二級管可保證做到，但最小的USB電壓（4.35V）和所需的鋰離子電池電壓（4.2V）之間的差值很小，甚至用肖特基二極管也是不合適的。基于此原因，在U1 IC中斷開全部反向電流通路。

　　圖3的電路有一些局限性，使它不適于一些可充電的USB設備。最明顯的局限性是其相當?shù)偷某潆婋娏?，使得對大于幾百毫安一小時的鋰離子電池充電耗費時間很長。第二個局限是負載（線性穩(wěn)壓器輸入）總連接到電池。在這種情況下，系統(tǒng)不能夠在插入后立即工作，這是因為電池深度放電，在電池達到一個足夠的電壓使系統(tǒng)工作之前有一段延遲時間。

　　負載切換和增強型電路

　　在更先進的系統(tǒng)中，充電器或圍繞充電器需要一些增強性能。這包括可選擇的充電電流以適應不同電源或電池的供電能力，插入電源時的負載切換以及過壓保護。圖4所示電路增加了這些功能，它是借助于充電器IC電壓檢測器驅動的外部MOSFET實現(xiàn)的。

　　MOSFET Q1和Q2以及二極管D1和D2旁路電池，直接連接有效（USB或AC適配器）電源輸入與負載。當電源輸入有效時，DC輸入具有優(yōu)先地位；U1防止在同一時間兩個輸入都有效。二極管D1和D2防止通過“系統(tǒng)負載”電源通路產生的輸入之間的反向電流，而充電器具有內置電路排除通過充電通路（在BATT）的反向電流。

　　MOSFET也提供AC適配器過壓保護（高達18V）。欠/過壓監(jiān)控器使AC適配器電壓只在4V和6.25V之間。

　　MOSEFT Q3在不存在有效外部電源時導通，使電池連接到負載。當USB或DC電源連接時，PON（電源開關）輸出立即斷開Q3，使電池與負載斷開。系統(tǒng)在加外部電源時能立即工作，既使電池深度放電或損壞也能立即工作。

　　當連接USB時，USB器件與主機通信決定負載電流是否可以增加。若主機允許，負載開始在一個單元負載并增加到5個單元負載。５到1個單元負載的電流范圍對于一般充電器（不是設計用于USB）來說存在一個問題。一般充電器的精度，盡管可滿足高電流要求，但通常在低電流設置方面不能滿足要求，這是由于電流檢測電路的偏差造成的。其結果是小范圍充電電流（1個單元負載）必須設置得足夠低，以保證不會超過100mA限制。例如，對于500mA的10%精度而言，輸出必須設置為450mA，以保證它不會超過500mA。這僅僅是可接受的；然而，為了保證低充電電流不超過100mA ，其額定電流必須設置為50mA，而最小值可能是0mA，這顯然是不可接受的。若USB充電在兩個范圍都有效，則需要有足夠的精度，使得最大可能的充電電流不超過USB限值。

　　在某些設計中，系統(tǒng)電源要求用小于500mA USB預算分別供電負載和充電電池是做不到的，但用AC適配器就不成問題。圖5所示電路（圖4的簡化子系統(tǒng)）是一個經濟的連接方法。USB電源不直接接到負載。充電和系統(tǒng)工作仍然發(fā)生在USB電源，但系統(tǒng)保持與電池的連接，其限制和圖3一樣：在連接USB時，若電池深度放電，則系統(tǒng)可以在工作前有一段延遲。若連接DC電源，則圖5工作狀態(tài)與圖4相同，無等待時間，與電池狀態(tài)無關，這是因為Q2截止，通過D1系統(tǒng)負載從電池轉到DC輸入。

　　鎳氫電池充電電路

　　盡管鋰離子電池能為大多數(shù)便攜裝置提供最好的性能，但NiMH（鎳氫）電池仍然是低成本設計的可行選擇。在負載要求不是太嚴格時，保持低成本的一個好方法是用NiMH電池。這需要一個DC-DC變換器升壓，一般從1.3V電池電壓提升到器件可用的電壓（一般為3.3V）。由于任何電池供電器件需要穩(wěn)壓器，所以，DC-DC變換器僅僅是一個不同的穩(wěn)壓器。

　　圖6所示電路，用獨特的方法為NiMH電池充電，并且不用外部FET在 USB輸入和電池之間切換系統(tǒng)負載。“充電器”實際上是一個工作在電流限制下的DC-DC升壓變換器（U1）。以300和400 mA之間的電流為電池充電。盡管沒有精密的電流源，但它具有適當?shù)碾娏骺刂?，甚至在電池短路時也能夠保持電流控制。DC-DC充電拓撲相對于一般線性方案的最大優(yōu)勢是能有效地利用有限的USB電源資源。在以400mA電流NiMH電池充電時，電路從USB輸入僅汲取150mA。而充電時剩余350mA用于系統(tǒng)。

　　二極管D1實現(xiàn)從電池到USB的負載拉出。不連接USB時，升壓變換器產生3.3V輸出。連接USB時，D1上拉DC- DC升壓變換器（U2）輸出到4.7V左右。當U2輸出上拉時，它自動關閉而從電池汲取的電流小于1mA。在USB連接時，若對于輸出從3.3V變換到 4.7V不能接受，則可以加入一個與D1串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器。

　　此電路的限制是依靠系統(tǒng)來控制充電結束。U1僅僅做為一個電流源，若長期不管它，它將會過充電電池。R1和R2置U1的最大輸出電壓為2V，做為安全限值?！癈harge Enable”（“充電使能”）輸入起到系統(tǒng)結束充電作用以及枚舉前降低USB負載電流的作用，這是由于充電器的150mA輸入電流大于一個負載?！?/p>