鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1037次 | 2019年11月08日
USB電池充電規(guī)范1.2版概述及適配器仿真器的重要性
引言
無(wú)論您身處何處，環(huán)顧四周時(shí)，很可能會(huì)看到有人正在使用便攜式設(shè)備。無(wú)論是在家里、車上還是插入到計(jì)算機(jī)，USB供電的便攜設(shè)備均需要采用智能方法確定正常工作以及充電所需的合適功率。由于便攜設(shè)備種類繁多、USB端口千差萬(wàn)別以及可充電電池的特性復(fù)雜，2010年頒布的USB電池充電規(guī)范1.2版（簡(jiǎn)稱為BC1.2）成為建立通過(guò)USB端口為電池充電的正確方式的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。但是，即使有了BC1.2規(guī)范，有些便攜設(shè)備制造商仍然采用專有的充電器，使得USB電池充電領(lǐng)域更為復(fù)雜。
本文討論USB電池充電最新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)力及其定義的技術(shù)規(guī)范，也給出了實(shí)現(xiàn)對(duì)各種專有便攜充電設(shè)備進(jìn)行大電流充電的USB端口的簡(jiǎn)單策略。
電池充電標(biāo)準(zhǔn)的迫切性——BC1.2規(guī)范頒布之前
USB得到廣泛普及是因?yàn)槠淠軌驗(yàn)橥鈬O(shè)備供電。USB孕育于上世紀(jì)90年代中期，最初的目的是將外部設(shè)備（例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、外置驅(qū)動(dòng)器等）連接至計(jì)算機(jī)。隨著越來(lái)越多的各種便攜式設(shè)備受到青睞，也同樣需要為其供電。利用數(shù)據(jù)傳輸連接器供電的能力使得USB在便攜式市場(chǎng)具有直接而顯著的優(yōu)勢(shì)。
在2007年第一個(gè)電池充電規(guī)范頒布之前，嘗試為電池充電本質(zhì)上是一種冒險(xiǎn)——結(jié)果非常難以預(yù)測(cè)。當(dāng)2000年出現(xiàn)USB2.0時(shí)，外設(shè)默認(rèn)吸收100mA電流，除非明確協(xié)商將電流增大至最高500mA。如果總線上經(jīng)過(guò)一段延遲后沒(méi)有數(shù)據(jù)活動(dòng)，總線將進(jìn)入“掛起”模式，將允許吸收電流限制到2.5mA。如果便攜設(shè)備的電池完全耗盡，嘗試?yán)脴?biāo)準(zhǔn)端口進(jìn)行充電時(shí)，則只能可靠吸收2.5mA電流！
實(shí)際上，許多電子設(shè)備制造商并不嚴(yán)格遵守USB2.0規(guī)范，在其提供的USB端口中不采用這些電流限值。有些（大多數(shù)）USB端口無(wú)論枚舉還是持續(xù)活動(dòng)都允許100mA電流；有些端口甚至提供500mA電流，而不考慮必要的功率協(xié)商。有些便攜設(shè)備的應(yīng)用要求超過(guò)100mA的電流，并錯(cuò)誤假設(shè)USB端口總是能夠提供500mA電流。
好的充電方案必須知道如何通知便攜設(shè)備從USB端口吸收多少電流是安全的。雖然合乎邏輯，但之前模棱兩可的USB“事態(tài)”存在一個(gè)主要問(wèn)題——如果吸收電流超過(guò)預(yù)期，USB端口將如何響應(yīng)？有些端口將完全關(guān)斷，并一直保持關(guān)斷狀態(tài)，直到外設(shè)拔出后再重新插入；有些端口將觸發(fā)USB系統(tǒng)復(fù)位，重新啟動(dòng)枚舉過(guò)程。
BC1.2規(guī)范的推出
電池充電并不是USB的原始特性，因此，在BC1.2頒布之前，官方并未就為關(guān)斷設(shè)備的電池充電做出任何規(guī)定。通過(guò)建立清晰的USB端口供電能力溝通方法，BC1.2規(guī)范改進(jìn)了其中許多問(wèn)題。
無(wú)論可充電電池使用的材料如何，均需在工作和充電期間予以特別考慮。例如，Li+電池制造商有時(shí)候規(guī)定最低放電水平；超過(guò)該門限的深度放電電池需要首先在預(yù)處理模式下進(jìn)行充電，然后再開(kāi)始完全充電。電池達(dá)到標(biāo)稱條件后，即可采用較高電流，以縮短充電時(shí)間，這通常稱為恒流模式。當(dāng)電池幾乎充滿時(shí)，繼續(xù)采用恒流模式可能有害。智能充電方案將切換至恒壓模式，對(duì)電池進(jìn)行“浮充”。由于電池的特性復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)可靠充電，必須采用定制，現(xiàn)在大多數(shù)便攜設(shè)備在最終產(chǎn)品中包括專用的電池充電控制器。
BC1.2規(guī)范的一項(xiàng)附加優(yōu)勢(shì)是規(guī)定了對(duì)耗盡電池或弱電池的充電。低于“弱電池門限”的電池允許采用高于2.5mA掛起電流的電流進(jìn)行充電，與端口類型無(wú)關(guān)。一旦電池達(dá)到標(biāo)稱水平，要求設(shè)備在特定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行枚舉，以便保持從要求枚舉的USB端口吸收較高的電流。
并非所有端口都完全相同
BC1.2規(guī)范簡(jiǎn)要規(guī)定了三種不同類型的USB端口和兩種關(guān)鍵對(duì)象?！俺潆姟倍丝谑强商峁?00mA以上電流的端口；“下行”端口按照USB2.0規(guī)范傳輸數(shù)據(jù)。BC1.2規(guī)范也確定了每個(gè)端口應(yīng)如何向終端設(shè)備枚舉，以及識(shí)別應(yīng)用端口類型的協(xié)議。三種USBBC1.2端口類型為SDp、DCp和CDp（見(jiàn)圖1）：
1.標(biāo)準(zhǔn)下行端口（SDp）。這種端口的D+和D-線上具有15kΩ下拉電阻。限流值如上討論：掛起時(shí)為2.5mA，連接時(shí)為100mA，連接并配置為較高功率時(shí)為500mA。
2.專用充電端口（DCp）。這種端口不支持任何數(shù)據(jù)傳輸，但能夠提供1.5A以上的電流。端口的D+和D-線之間短路。這種類型的端口支持較高充電能力的墻上充電器和車載充電器，無(wú)需枚舉。
3.充電下行端口（CDp）。這種端口既支持大電流充電，也支持完全兼容USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸。端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉電阻，也具有充電器檢測(cè)階段切換的內(nèi)部電路。內(nèi)部電路允許便攜設(shè)備將CDp與其它類型端口區(qū)分開(kāi)來(lái)。
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非常幸運(yùn)，DCp在電氣上實(shí)現(xiàn)模擬非常簡(jiǎn)單。D+和D-短路在一起（BC1.2規(guī)范規(guī)定兩者之間的最大阻抗為200Ω），線路相對(duì)于地保持浮空。便攜設(shè)備識(shí)別DCp時(shí)只需利用信號(hào)驅(qū)動(dòng)D+或D-，然后在另一根線上檢測(cè)相同信號(hào)。實(shí)際上，BC1.2規(guī)范的端口識(shí)別程序就是這么做的。假設(shè)便攜設(shè)備在D+上設(shè)定一個(gè)電壓并測(cè)量D-，然后在D-上設(shè)定一個(gè)電壓并測(cè)量D+。有了這么簡(jiǎn)單的設(shè)置，就很容易設(shè)計(jì)帶有USB連接器的墻上充電器。設(shè)計(jì)者只需將連接器上的兩個(gè)引腳短路，然后將其添加到能夠提供2A、5V電源的現(xiàn)有墻上充電器。真是這樣嗎？不盡然。
即使有BC1.2規(guī)范可循，有些電子設(shè)備制造商仍然為其專用充電器開(kāi)發(fā)定制協(xié)議。當(dāng)您將這樣的設(shè)備連接至完全符合BC1.2規(guī)范的充電端口時(shí)，可能仍然會(huì)產(chǎn)生報(bào)錯(cuò)消息：“Chargingisnotsupportedwiththisaccessory.”（不支持該附件充電）。盡管出現(xiàn)該報(bào)錯(cuò)消息，此類設(shè)備實(shí)際可能仍然進(jìn)行充電，但充電電流極其小。幸運(yùn)的是，幾乎所有此類專有充電器利用5V和地之間的電阻分壓器設(shè)定D+和D-線上的直流電平，從而識(shí)別本身（圖2）。
又非常幸運(yùn)的是，有一種智能、低成本方案可對(duì)這些制造商的設(shè)備以及符合BC1.2規(guī)范的設(shè)備進(jìn)行最佳充電。
端口檢測(cè)是必需的
USB充電器適配器仿真器
USB充電器適配器仿真器是一種使專用充電器表現(xiàn)為BC1.2DCp或其他專有充電器的器件。充電器適配器仿真器為墻上充電器提供動(dòng)態(tài)元件，無(wú)需增加分立的控制單元，即可檢測(cè)所連設(shè)備的類型。許多充電器適配器仿真器可利用硬件配置，選擇不同的充電器識(shí)別特性；其它仿真器具有自動(dòng)檢測(cè)電路，檢測(cè)所連接便攜設(shè)備的類型，可在制造商的特定分壓器和BC1.2DCp模式之前進(jìn)行切換。
為了方便、有效地集成至墻上充電器，USB充電器適配器仿真器的尺寸必須很小，外部元件數(shù)量必須很少。例如，MAX14630/MAX14632充電器適配器仿真器可配置為自動(dòng)檢測(cè)USBBC1.2兼容設(shè)備、Apple1.0A設(shè)備、2.1A設(shè)備或Samsung?GalaxyTablet2A設(shè)備。其中每種USB適配器仿真器只需一個(gè)旁路電容，采用2.90mmx1.60mm封裝。圖3所示的電路是兼容Apple1A和USBBC1.2兼容設(shè)備的單個(gè)專用充電器的快速實(shí)現(xiàn)。該適配器模擬器默認(rèn)將電阻分壓器連接至數(shù)據(jù)線，但能夠按照BC1.2自動(dòng)檢測(cè)USBBC1.2設(shè)備并將D+和D-短路在一起。配合交流轉(zhuǎn)直流5V電源使用時(shí)，利用適配器仿真器協(xié)商正確的限流值，能夠?qū)Ω鞣N便攜設(shè)備進(jìn)行最佳充電。
圖3.自動(dòng)檢測(cè)USBBC1.2/Apple1A設(shè)備的DCp示例。該設(shè)計(jì)采用MAX14630/MAX14632USB充電器適配器仿真器。
專用充電器相對(duì)簡(jiǎn)單；充電下行端口支持USB2.0數(shù)據(jù)率以及處理高達(dá)1.5A充電電流，增加了復(fù)雜度。為了有別于專用充電器，CDp具有BC1.2規(guī)范規(guī)定的內(nèi)部電路；在端口檢測(cè)階段，當(dāng)檢測(cè)到便攜設(shè)備驅(qū)動(dòng)D+時(shí)，內(nèi)部電路能夠?qū)-驅(qū)動(dòng)為規(guī)定電壓。內(nèi)部電路只能在端口檢測(cè)期間切換，并且在關(guān)斷時(shí)只能在總線上產(chǎn)生規(guī)定大小的寄生電容。這些限值由USB2.0規(guī)范規(guī)定，該規(guī)范規(guī)定保證高速USB通信的電路參數(shù)。
端口檢測(cè)階段之后，兼容BC1.2規(guī)范的CDp斷開(kāi)以上所述的內(nèi)部電路，即可進(jìn)行正常的USB數(shù)據(jù)傳輸。有趣的是，有一個(gè)問(wèn)題是CDp中存在而DCp中所沒(méi)有的：數(shù)字噪聲裕量。根據(jù)USB2.0規(guī)范，USB電纜中的100mA接地電流會(huì)在主機(jī)地和設(shè)備地之間產(chǎn)生25mV的電壓差。由于電流可高達(dá)1.5A，所以CDp及兼容BC1.2規(guī)范的便攜設(shè)備必須能夠解析設(shè)備與主機(jī)地失調(diào)最大達(dá)375mV的數(shù)據(jù)。這些關(guān)鍵問(wèn)題的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)者不能隨意搭建CDp，必須謹(jǐn)慎確保正常工作。
USB主機(jī)適配器仿真器
USB主機(jī)適配器仿真器組合了高速USB模擬開(kāi)關(guān)（能處理高達(dá)480Mbps的USB2.0數(shù)據(jù)）和USB充電器適配器仿真器電路。除DCp和專有充電器特性外，主機(jī)適配器仿真器可配置為SDp和CDp直通模式，符合BC1.2規(guī)范規(guī)定。CDp直通模式下，首次連接設(shè)備時(shí)，設(shè)備模擬CDp功能。然后，為了支持正常的USB2.0通信，經(jīng)過(guò)充電器檢測(cè)階段后，將D+和D-線的控制交給USB主機(jī)收發(fā)器。
此類設(shè)備的可配置性使得主機(jī)適配器仿真器尤其適合于計(jì)算機(jī)。例如，當(dāng)計(jì)算機(jī)連接至電源時(shí)，可通過(guò)將主機(jī)適配器仿真器配置為CDp，使能高電流USB充電端口。當(dāng)使用筆記本電腦的電池電源工作時(shí)，計(jì)算機(jī)可將適配器仿真器切換至標(biāo)準(zhǔn)USB端口配置，將電流吸收限制到最大500mA。通過(guò)將適配器仿真器重新配置為專用充電器，當(dāng)筆記本關(guān)閉但仍連接有電源時(shí)，筆記本電腦仍然可通過(guò)其USB端口提供高電流充電。
關(guān)于主機(jī)適配器仿真器的一項(xiàng)重要考慮是重新配置時(shí)如何處理USB總線。錯(cuò)誤地從某種狀態(tài)切換至另一種狀態(tài)會(huì)造成下行USB設(shè)備故障。所以，往往包括總線復(fù)位或限流開(kāi)關(guān)，以應(yīng)對(duì)配置變化。例如，除支持SDp直通、CDp直通、DCp、Apple2.1A及Samsung2A模式外，MAX14640–MAXA14644器件觸發(fā)總線復(fù)位，以確保下行設(shè)備檢測(cè)到主機(jī)的任何變化。器件也具有自動(dòng)限流開(kāi)關(guān)控制輸出，當(dāng)主機(jī)收發(fā)器通過(guò)I2C重新配置適配器或進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)對(duì)便攜式設(shè)備復(fù)位。
充電器和以上所述的主機(jī)適配器設(shè)計(jì)用于配合分立電源工作，包括墻上適配器或計(jì)算機(jī)的電源。除家中或計(jì)算機(jī)附近外，第三個(gè)最常見(jiàn)為USB設(shè)備充電的場(chǎng)所是車上。汽車中最常見(jiàn)的輔助電源插座提供12V直流，特殊情況下有24V直流。然而，不同工作環(huán)境下，該電壓波動(dòng)范圍很大。鑒于電池電壓隨溫度變化，提供的實(shí)際電壓可能低至9V或高達(dá)28V；可能存在高達(dá)40V的暫態(tài)浪涌。有些USB端口應(yīng)用，例如車載充電器和導(dǎo)航系統(tǒng)，要求汽車級(jí)USB充電器/主機(jī)適配器仿真器，以及可靠的直流/直流轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生USB電源所必需的5V電壓。
使用適配器仿真器具有一項(xiàng)附加優(yōu)勢(shì)：使USB收發(fā)器避免潛在ESD損害、USB線短路或電池短路。DC/DC轉(zhuǎn)換器需要保證在較寬輸入電壓范圍內(nèi)正確工作。保護(hù)汽車電池的能力是一項(xiàng)關(guān)鍵特性，所以設(shè)計(jì)良好的轉(zhuǎn)換器應(yīng)包括可調(diào)節(jié)限流電路。此外，車載充電系統(tǒng)需要檢測(cè)輸出電流并將診斷數(shù)據(jù)送至控制單元，這就需要電流檢測(cè)放大器。MAX16984是同類產(chǎn)品中的代表，在單片IC中集成了DC/DC轉(zhuǎn)換器、主機(jī)適配器仿真器電路、ESD保護(hù)和電流檢測(cè)放大器。MAX16984設(shè)計(jì)工作在4.5V至28V輸入，具有高達(dá)42V的拋負(fù)載瞬態(tài)保護(hù)。器件內(nèi)置電阻反饋網(wǎng)絡(luò)（監(jiān)測(cè)VBUS電壓）和高邊電流檢測(cè)電流放大器（監(jiān)測(cè)流入所連USB設(shè)備的電流）。當(dāng)然，器件具有USBBC1.2兼容電路，支持高速（480Mbps）USB數(shù)據(jù)，并且可仿真Apple1A/2.1A充電器。
總結(jié)
USBBC1.2標(biāo)準(zhǔn)頒布于2010年，可直接為關(guān)閉的便攜式設(shè)備電池充電。規(guī)范也增加了對(duì)耗盡電池或弱電池的支持。規(guī)范定義了三種明確的USB端口類型，本文對(duì)每種類型進(jìn)行了介紹。遵循USBBC1.2標(biāo)準(zhǔn)，USB端口現(xiàn)在能夠與USB供電便攜設(shè)備協(xié)商其供電能力?，F(xiàn)在可對(duì)各種便攜式設(shè)備安全充電。最后，USB適配器仿真器的開(kāi)發(fā)為USB端口的設(shè)計(jì)增加了卓越的可配置性。
對(duì)于專用于充電的USB端口，新充電器適配器仿真器增加了兼容可插入設(shè)備的數(shù)量。動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，例如對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)置USB端口的不同要求，主機(jī)適配器仿真器提供了簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)。在惡劣的汽車環(huán)境下，集成DC/DC轉(zhuǎn)換器和適配器仿真器可管理波動(dòng)的電壓、削減成本以及節(jié)省空間。
