USB电源充电设计技巧与注意事项

USB 2.0 规范规定“并联一个单位负载时 （100mA），线缆下行端允许的最大负载 （CRPB） 为 10μF。10μF 电容代表一个 VBUS 线之间直接连接的旁路电容器，加上通过设备调节器的所有可见电容效应。” ［1］。要对此进行测试，USB-IF 测试程序文档 1.3 版描述为“USB 规范允许高达 10uF 硬启动，其可形成 50.0uC 的最大浪涌电流值。” ［2］ 50μC 由公式 1 计算得到：我们如何将其变为电流极限呢？安培单位为库仑每秒。这就是说在启动期间，电流极限以上的最大浪涌电流乘以电流极限以上的时间，所得结果必须小于 50μC。如公式 2 所示：请注意，IIN_AVG 代表浪涌电流期间的平均输入电流。充电器设备的输入电流极限必须防止来自 USB 电源的电流超出 50μC。图 3 显示了在 100mA 模式下 bq2407x 的启动情况。请注意，高亮区域代表允许的过冲充电区域。bq2407x 的输入电容要求为 1μF。这超出了符合输入电容规定的程度。输入电流极限让设计人员不必担心系统的电容值，因为 USB 电源绝不会出现这种电流。

图 3 输入电流启动波形，EN1 = EN2 = GND， VBAT 《 VWEAKBATTbq2407x 的输入电容要求为 1μF。

硬启动 1μF 要求 5μC。这种启动的系统电容为 47μF，其不能直接通过 USB 端口启动。就输入电流极限而言，硬启动系统电容并开始充电都不成问题。输入电流阈值小于 100mA 规范，因此首次启动以后，便不会违反 USB100 规范。弱电池阈值

USB 规范要求在 VBUS 电源的电流大于 2.5mA 以前枚举主机。但是，规范中有一条关于零电量、弱电量或无电池情况的规定。规定如下：“一个零电量、弱电量或无电池情况的设备需要在连接后 100ms 左右的时间提供 100mA 的电流，以确定它是否可以连接。” ［3］如果设备不能在 100ms 时间内以 100mA 启动，则可能会出现问题。为了解决这个问题，USB 规范增加了一条电池充电的具体规定。其规定“如果便携式设备不能以低于 100mA 的电流上电并连接，该零电量或弱电量电池的设备则可以使用主机提供的 100mA 电流首先将其电池充电至其弱电量电池阈值。一旦达到其弱电量电池阈值，立即要求设备上电并连接。” ［4］在弱电量电池阈值以上，假设电池足以为主机供电，因此主机开启。每种应用都定义了其自身的弱电量电池阈值。bq2407x 的硬件使能以及一个简单的电压探测器使得设计人员能够轻松地满足这一要求。

图 4 显示的是弱电量电池阈值情况下的一款简单解决方案。

图 4 弱电量电池检测实施必须对电压探测器进行应用弱电量电池阈值设置。

例如，TPS3836 有数个有效阈值。另外，为了获得最大的灵活性，一些电压探测器提供了可调节阈值。就这种应用来说，重要的电压探测器特性是一种有源低电平 RESET（VIN 《 VTHRESHOLD 时为低电平）推/拉输出，这样它便可以与主机输出隔离。一旦主机出现，它便关闭电压探测器，或者停止上拉。主机输出的下拉力必须要大于将电压探测器输出与 EN1 和 EN2 隔离的一些电阻。图 5 显示了实施波形。将弱电量电池阈值设定为 3.3V。当插入 3.5V 电池时，其被识别为一块状态良好的电池，同时 EN1 和 EN2 被 TPS3836 拉为高电平。枚举主机以后，主机拉低 EN2，以将 bq24072 电池充电器设置为 USB500 模式。这种方法假定 HOST 关闭时 HOST GPIO 为高阻抗。

图 5 弱电量电池实施举例基于输入电压的动态电源管理 （VIN-DPM）

USB 规范规定，在通过所有集线器和线缆以后的满负载条件下，低功率端口设备的输出可以低至 4.4V。一些设备实施了基于输入电压的动态电源管理 （VIN-DPM）。该环路降低了输入电流极限，以防止输入崩溃。图 6 显示了无 VIN-DPM 保护情况下 USB 端口过负载的后果。请注意，当输入电压降至“电源良好”阈值以下时，充电器关闭。这样会关闭电源的负载，并允许输入电压恢复，从而开启充电器。这种开/关脉冲是多余的。

图 6 无 VIN-DPM 的输入崩溃VIN-DPM 通过限制输入电流来阻止出现脉冲，从而防止输入电源崩溃。

图 7 显示了使用 bq2407x 充电器时 USB 端口过载的结果。VIN-DPM 功能生效来降低输入电流极限，并防止电源崩溃。

图 7 使用了 VIN-DPM 的输入过载保护中国充电器标准

展望未来，中国针对在中国销售的充电器适配器制定了一套标准，旨在减少每年 1 亿多淘汰手持设备的废弃适配器数量。这种新的标准使用了许多 USB 规范。就这点而言，其要求适配器电源线有一个标准的 A 型 USB 连接器，以插入 AC 适配器或标准的 USB 端口。充电器