用USB为电池充电

效率仅为30%；对两节电池充电时，效率为60%。用500mA电流对单节电池充电时，功耗会高达2W。这样的功耗通常需要加散热器。功耗为2W时，热阻为+20°C/W的散热器在+25°C环境温度下会被加热至大约+65°C，要得到满额性能，还需要有流动空气来协助其散热。处于空气静止的封闭空间内，温度会更高。

　　采用基于开关调节器的充电器可解决多个问题。首先，与线性充电器相比，能够以更快的速率、更大的电流对电池进行充电(图6)。由于功耗较低、发热较少，热管理方面的问题也减少了。同时，由于运行温度降低，充电器更加可靠。


图6. 对单节NiMH电池充电时，线性充电器和开关充电器的充电时间不同。

　　图6中的计算结果基于以下条件和假设得到：采用高功率USB口最大允许电流(500mA)的大约90%充电；开关调节器采用非同步整流的buck转换器，具有77%效率。

电路实例

　　图7所示电路是用于单节NiMH电池充电的开关模式降压型调节器。它采用DS2712充电控制器调节充电电流和终止充电。充电控制器监视温度、电池电压和电池电流。如果温度超过+45°C或者低于0°C，控制器不会对电池充电。


图7. USB端口对单节NiMH电池快速充电的原理图。

　　如图7所示，Q1是降压型充电器的开关功率晶体管；L1是滤波电感；D1是续流或整流二极管。输入电容C1为10µF、超低ESR的陶瓷滤波电容。用钽电容或者其它电解电容替代C1会使充电器的性能降低。R7是电流调节器检测放大器的检流电阻。DS2712的基准电压为0.125V，并具有24mV滞回。通过CSOUT提供闭环、开关模式电流控制。充电控制引脚CC1将Q2的栅极拉低时，使能Q1的栅极驱动。Q1和Q2均为低Vt (栅-源门限电压)的pMOSFET。CC1和CSOUT均为低电平时，Q2的漏-源电压将稍大于Vt。该电压以及CSOUT的正向压降构成了Q1的栅极开关电压。

　　CC1为低电平时，启动电流闭环控制。图8所示为启动开关时的波形。上方波形是0.125? (检流电阻两端的电压，下方波形是Q1漏极至GND的电压。开始时，当Q1打开(CC1和CSOUT均为低电平)时，电感电流向上爬升。当电流增大到使检流电阻两端的电压达到0.125V时，CSOUT变为高电平，开关关断。此后，电感电流开始下降，直到检流电阻两端的电压达到约0.1V，CSOUT又变为低电平。只要CC1为低电平，该过程将一直持续。


图8. USB NiMH充电器的启动波形。

　　DS2712的内部状态机控制着CC1的工作。充电开始时，DS2712先对电池进行状态测试，以确保电池电压在1.0V至1.65V之间，并确认温度在0°C至+45°C之间。如果电压低于1.0V，DS2712将以0.125的占空比拉低CC1，对电池缓慢充电，以防损坏电池。一旦电池电压超过1.0V后，状态机转为快充模式。快充时占空比为31/32，即大约97%。"跳过"的间隙内进行电池阻抗测试，以确保不会对错误放入充电器的高阻抗电池(例如碱性电池)进行充电。检测到-2mV的-ΔV后，快充结束。如果未检测到-ΔV，将持续快充，直到快充定时器超时，或检测到过温或者过压故障状态(包括阻抗不合格)为止。快充完成(由于-ΔV或快充定时器超时) 后，DS2712进入定时补足充电模式，占空比为12.5%，持续时间为所设快充定时的一半。补足充电完成后，充电器进入维持模式，占空比为1/64，直到电池被拿走或重新上电。

　　采用图7所示充电器和大功率USB端口对2100mAh NiMH电池充电时，快充时间为2小时多一点，大约3个小时完成包括补足充电在内的全部充电过程。从端口吸取的电流为420mA。如果需要与主机进行枚举过程，并需要大电流使能操作，可在R9和地之间串联一个开漏极nMOSFET。如果MOSFET关断，则TMR浮空，DS2712进入挂起状态。

总结

　　对于小型消费类电子设备的电池充电而言，USB端口是一个经济、实用的电源。为完全符合USB 2.0规范，连接在USB端口上的负载必须能够与主机进行双向通信。负载也必须符合电源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主机确定何时需要从端口吸取大电流的手段。尽管部分兼容的系统能够适应大部分USB主机，但有时会出现意想不到的结果。只有很好地理解USB规范要求和负载的期望，才能在对于规范的兼容性与负载复杂度之间取得较好的平衡。