USB 电源充电小贴士

消费者希望其设备的电源线和连接线越来越少，并期望获得通过计算机或AC插座充电的灵活性，因此要求几乎所有目前和未来推出的手持设备都能通过USB电源和AC墙上适配器充电。

　　通过USB给电池充电存在许多挑战。使用同一条线缆的要求、以及由此而来的USB和AC适配器单输入，这些都意味着系统必须能够识别并使用两种电源。在本文中，我们以bq2407x系列器件为例来介绍简化便携式应用锂离子(Li-Ion)电池充电系统设计的一些特性和规范。具体而言，我们将讨论输入电流极限、静态电流、输入电压动态电源管理(VIN-DPM)以及中国充电器规范的影响。这些特性简化了便携式应用的充电器设计。

　　输入电流极限

　　最公认的USB规范是USB设备的电流消耗。USB电源分为低功率和高功率电源。低功率电源被定义为非自供电USB集线器。这些设备使用来自USB电源的500mA电流，且必须在所有连接至集线器的设备之间共用电流。

　　低功率电源可提供4.4V的最低工作电压，其电流极限设定在一个单位负载，即USB1.x和2.0下的100mA。就超高速(SuperSpeed)USB而言，单位负载被增加到了150mA。高功率电源是一些自供电的集线器或者计算机USB端口，其可提供最小工作电压为4.75V，拥有高达5个单位负载的电流，即USB1.x和2.0下每个端口500mA，或者超高速USB下6个单位负载(900mA)。所有设备默认均为低功率模式，但在枚举主机时会要求高功率模式。

　　除高功率和低功率端口以外，许多设备均通过使用相同连接器的AC适配器来运行。这些电源可提供高达1.5A的电流(USB线缆传输能力)。

　　设备不能使用2.5mA以上的电流时，最终模式为挂起模式。USB设备必须支持所有这四种模式才能通过USB规范。

　　充电设备的输入电流极限不能超出USB规范。这就是说必须在产品说明书中找到技术说明规范，以验证在所有工艺差异和温度下均能够保证电流极限不超出USB极限。

　　图1是bq2407x产品说明书的一部分，其清楚地标明了输入极限规范。请注意，规范的最大数值为USB极限。这样就可以确保温度、工艺和输入电压下的所有bq2407x器件都在USB规范以内。最大USB规范极限列出的典型值是不允许出现的，因为一些部件会超出该值。如果最大值大于USB规范，则存在违反USB规范的可能性。

图1：bq2407x产品输入极限。

　　主机要求系统进入USB挂起模式时，规范极限为2.5mA。驱动EN1和EN2为高电平使得bq2407x进入USB挂起模式。这种模式下，静态电流减少至50μA(最大)。如果其他电路由VBUS电源供电运行，则这会给设计人员带来较大的裕量。就待机模式电流规范而言，其通常出现在电气特性表的静态电流部分。

　　图2显示了bq2407x的静态电流。请注意，在USB挂起模式(EN1=EN2=HI)下，最大静态电流为50μA(VBUS=6V)，其大大低于USB挂起模式的2.5mA要求。

　图2：bq2407x产品静态电流。

　　USB启动问题

　　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。”。

　　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10μF硬启动，其可形成50.0μC的最大浪涌电流值。”50μC由公式1计算得到：

　　我们如何将其变为电流极限呢？安培的单位为库仑每秒。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：

　　IIN_AVG代表浪涌电流期间的平均输入电流。充电器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。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

　　bq2407x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，且不能直接通过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