解读USB-IF电池充电规范

作者：魏明 工信部通信计量中心USB兼容认证实验室   时间：2009-10   来源:电子产品世界

　　背景

　　2009年4月，全球移动通信系统协会(GSMA)联合OTMP(手机开放组织联盟)17家移动运营商和制造商宣布实施跨行业的通用充电器标准，此标准采纳了USB-IF的micro-USB接口作为手机数据和充电的统一接口，并采纳USB-IF的Battery Charging 规范作为充电规范。USB-IF公布了1.1版的Battery charging规范(以下简称为BC规范)，比起两年前公布的1.0版本，这个新版本有了较大更新和补充。同时，与之配套的测试规范也正在制定中，预计将在年内颁布和实施。届时USB Battery Charging相关测试项目将纳入到USB兼容测试认证中。

　　电池充电规范

　　原有USB2.0规范并没有考虑到使用USB接口为便携式设备的电池进行充电的需求，而这样的需求却越来越多。BC规范要解决的就是这个问题，符合规范的设备和系统即向下兼容USB2.0标准，又针对充电做出了特别的优化。

　　实际上，BC规范的核心内容就是引入了充电端口识别机制。一个符合BC规范的便携式USB设备或OTG设备通过这套机制可以识别出是插到了一个标准的USB下行接口(Standard Downstream Port );一个USB专用充电器(USB Charger);还是一个针对充电做过优化的USB下行接口(Charging Downstream Port)。然后，这些设备将根据不同的情况，按照BC规范的要求来获取不同的电流。

　　便携式设备和三种USB充电接口

　　● Portable Device

　　Portable Device(以下简称PD)指电池供电的便携式USB外设或者OTG设备，可以通过USB接口来为自身的电池充电。BC规范建议这些的PD应该具备相应的端口识别能力和对从USB总线获取电流的控制能力。

　　● Standard Downstream Port

　　基本上，这个Standard Downstream Port指符合现有USB2.0规范的主机(HOST)或集线器(HUB)上的下行USB接口。根据USB2.0规范，当USB外设处于未连接(un-connect)或休眠(suspend)的状态时，一个Standard Downstream Port可向该外设提供不超过2.5mA的平均电流;当外设处于已经连接并且未休眠的状态时，电流可以至最大100mA;而当外设已经配置 (configured )并且未休眠时，最大可从VBUS获得500mA电流。

　　● Charging Downstream Port

　　Charging Downstream Port是即兼容USB2.0规范，又针对USB充电作出了优化的下行USB接口，它可以是主机上的USB接口，也可以是USB集线器上的。这些下行USB接口能配合Portable Device 完成充电端口识别动作，并提供最大至1.5A的供电能力，满足PD大电流快速充电的需求。

　　今后很有可能会出现这样的产品，一台笔记本电脑上1个Charging Downstream Port和多个Standard Downstream Port同时存在，用户可以将手机或其他PD连接到Charging Downstream Port进行快速充电，并且在充电的同时可以进行数据连接。

　　● USB Charger

　　BC1.1规范中定义的USB Charger与目前市面上可以买到的USB专用充电器类似。USB Charger通过USB口为PD提供充电所需电能，BC1.1要求将USB Charger中的D+和D-进行短接，以配合PD的识别动作，但它不具备和USB设备通信的能力。规范中对USB Charger的电压电流输出能力做出了较严格要求，以确保PD的安全。

　　USB端口识别机制

　　BC规范的核心在于充电识别机制，通过这个机制，当PD插入到USB接口时，PD将识别出所插入的USB接口类型。

　　当PD插入到USB接口以后，它向D+上加载一个0.6V左右的电压(VDP_SRC)，随后，PD开始检测D-线上的电压，查看是否收到0.6V的电压回应 (VDM_SRC)。因为Standard Downstream Port不会对D+上的0.6V信号作出任何回应，所以如果PD插入的是Standard Downstream Port,那么D-将保持为低电平(图1)。



　　在Charging Downstream Port中，采用了与PD类似并且与之互补的检测电路，当它检测到D+上有0.6V时，它将随即向D-加载0.6V电压，以回应PD;而在USB Charger中，由于D+和D-是短接的，所以当D+上被加载0.6V电压时，D-也变成了0.6V。所以，PD插入到Charging Downstream Port 或是USB charger, 则D-线上会被回应一个0.6v电压。此后，PD先将D+(PD为高速或全速设备)或D-(PD为低速设备)拉高至逻辑高电平， 然后通过检测另外一根数据线的电压来区分是Charging Downstream Port 还是USB charger。因为Charging Downstream Port在充电检测时期，只回应VDP_SRC而不会回应逻辑高电平，所以它将保持数据线为低(图2)。



　　由于USB charger内部短接了D+和D-，如果一根数据线被拉高，那么另一根数据线也将变成高电平(图3)。



　　通过以上的检测机制，PD就可以识别出所插入的是何种USB端口。