中心議題：

• USB特性
• 用USB對電池充電的要求

解決方案：

• 用USB端口對NiMH電池智能充電

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引言

通用串行總線（USB）端口是一種帶有電源和地的雙向數據端口。USB可以連接所有類型的外圍設備，包括外部驅動器
、存儲設備、鍵盤

、鼠標、無線接口
、攝像機和照相機
、MP3播放器以及數不盡的各種電子設備。這些設備有許多采用電池供電
，其中一些帶有內置電池。對於電池充電設計來說，應用廣泛的USB既帶來了機遇，也帶來了挑戰。本文闡述了如何將一個簡單的電池充電器與USB電源進行接口。文章回顧了USB電源總線的特性，包括電壓、電流限製、浪湧電流

、連接器以及電纜連接問題。同時介紹了鎳氫電池（NiMH）和鋰電池技術、充電方法以及充電終止技術。給出了一個完整的示例電路
，用於實現USB端口對NiMH電池智能充電，並給出了充電數據。

1 USB特性

USB總(zong)線(xian)能(neng)夠(gou)為(wei)低(di)功(gong)耗(hao)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)提(ti)供(gong)電(dian)源(yuan)。總(zong)線(xian)電(dian)源(yuan)與(yu)電(dian)網(wang)隔(ge)離(li)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)很(hen)好(hao)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。但(dan)是(shi)，可(ke)用(yong)電(dian)流(liu)有(you)限(xian)

，同(tong)時(shi)負(fu)載(zai)和(he)主(zhu)機(ji)或(huo)電(dian)源(yuan)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)潛(qian)在(zai)的(de)互(hu)操(cao)作(zuo)問(wen)題(ti)。

USB端口由90Ω雙向差分屏蔽雙絞線、VBUS （+5V電源）和地組成。這4條線由鋁箔內屏蔽層和編織網外屏蔽層進行屏蔽。最新的USB規範標準是2.0版，可以從USB組織免費獲得。要做到完全符合該規範標準
，需要通過一個功能控製器來實現設備和主機間的雙向通信。規範定義了1個單位負載為100mA （最大）。任何設備允許吸取的最大電流為5個單位負載。

USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類，低功率端口可提供1個單位負載的電流，大功率端口可最多提供5個單位負載的電流。當設備剛連接到USB端口時，枚舉過程對器件進行識別，並確定其負載要求。在此過程中，隻允許設備從主機吸取最多1個單位負載的電流。枚舉過程完成後，如果主機的電源管理軟件允許，則大功率設備可以吸取更大的電流。

某些主機係統（包括下遊USB集線器）通過保險絲或者有源電流檢測器提供限流功能。如果USB設備未經過枚舉過程便從USB端口吸取大電流（超過1個單位負載）
，則主機會檢測到過流狀態，並會關閉正在使用的一個或多個USB端口。市場上供應的許多USB設備
，包括獨立電池充電器，都沒有功能控製器來處理枚舉過程
，但吸取的電流卻超過了100mA。在這種不恰當的條件下
，這些設備可能導致主機出現問題。例如，如果一個吸取500mA電流的設備插入總線供電的USB集線器，而且未進行正確的枚舉過程
，則可能導致集線器端口和主機端口同時過載。

主zhu機ji操cao作zuo係xi統tong采cai用yong高gao級ji電dian源yuan管guan理li時shi情qing況kuang會hui更geng加jia複fu雜za，特te別bie是shi筆bi記ji本ben電dian腦nao
，它ta總zong是shi希xi望wang端duan口kou電dian流liu盡jin可ke能neng低di。在zai某mou些xie節jie電dian模mo式shi下xia，計ji算suan機ji會hui向xiangUSB設she備bei發fa出chu掛gua起qi命ming令ling，而er後hou則ze認ren為wei設she備bei進jin入ru了le低di功gong耗hao模mo式shi。設she備bei中zhong包bao含han一yi個ge能neng與yu主zhu機ji進jin行xing通tong信xin的de功gong能neng控kong製zhi器qi始shi終zhong是shi一yi個ge比bi較jiao好hao的de做zuo法fa，即ji使shi對dui於yu低di功gong耗hao設she備bei來lai說shuo也ye是shi如ru此ci。

USB 2.0規範非常全麵，規定了電源的質量
、連接器構造、電纜材質

、rongxudedianyadieluoyijilangyongdianliudeng。didianliuhedadianliuduankoujuyoubutongdedianyuanzhibiao。zhezhuyaoshiyouzhujihefuzaijiandelianjieqihedianlanshangdedianyadieluojuedingde
，bingbaokuoyouUSB供電的集線器上產生的電壓跌落。包括計算機或者自供電USB集線器在內的主機，都具有大電流端口，可提供最大500mA的電流。無源、總線供電的USB集線器具有低電流端口。表1列出了USB大電流和低電流端口上遊端（電源）引腳允許的電壓容限。

表1. USB 2.0規範電源質量標準 Parameter Requirement

*這些指標適用於上遊端主機或集線器端口的連接器引腳。電纜和連接器上的I x R跌落需另外考慮。

在符合USB 2.0規範的主機中，大功率端口的上遊端具有120uF
、低ESR電容。所連接的USB設備的輸入電容限製在10
？F以內

，在最初的負載連接階段
，允許負載從主機（或自供電集線器）吸取的最大電荷數為50？C。這樣一來，當新設備連接至USB端口時，上遊端口的瞬態電壓跌落小於0.5V。如果負載正常工作時需要更大的輸入電容
，則必須提供浪湧電流限製器，以保證對更大的電容充電時電流不會超過100mA。
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當USB端口帶有一個總線供電的USB集線器，集線器上接了低功耗設備時，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負載與總線供電的集線器連接時，電壓跌落將超過圖1給出的指標
，並會引起總線過載。

圖1. 主機至低功率負載的電壓跌落大於圖中給出的允許直流電壓跌落時，會引起總線過載。

2 電池充電要求

2.1 單節鋰離子和鋰聚合物電池
如今的鋰電池充電至最大額定容量後
，其電壓通常為4.1V至4.2V之間。當前市場上正在出售的
、更新的、容量更大的電池，其電壓範圍在4.3V至4.4V之間。典型的棱柱形鋰離子（Li+）和鋰聚合物（Li-Poly）電池容量為600mAh至1400mAh。

對Li+和Li-Poly電dian池chi來lai說shuo，首shou選xuan的de充chong電dian曲qu線xian是shi從cong恒heng流liu充chong電dian開kai始shi，一yi直zhi持chi續xu到dao電dian池chi電dian壓ya達da到dao額e定ding電dian壓ya。然ran後hou，充chong電dian器qi對dui電dian池chi兩liang端duan的de電dian壓ya進jin行xing調tiao節jie。這zhe兩liang種zhong調tiao節jie方fang式shi構gou成cheng了le恒heng流liu（CC）恒壓（CV）充電方式。因此，這種類型的充電器通常稱為CCCV充電器。CCCV充電器進入CV模式後，電池的充電電流開始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當電池達到其充滿容量的80%至90%時，充電器由CC模式轉換為CV模式。充電器一旦進入CV充電模式，則對電池電流進行監視；當電流達到最低門限（幾毫安或者幾十毫安）時，充電器終止充電。鋰電池的典型充電曲線如圖2所示。

圖2. 使用CCCV充電器對Li+電池充電時的典型曲線

從圖1所示的USB電壓跌落指標可以看出
，端口供電集線器的下遊低功率端口電壓不具備足夠的餘量
，很難將電池充至4.2V。充電通路上存在的小量額外電阻會妨礙正常充電。

Li+和Li-Poly電池應在合適的溫度下進行充電。製造商推薦的最高充電溫度通常為+45°C至+55°C之間，允許的最大放電溫度可再高出10°C左右。這些電池使用的材料，化學性質非常活潑
，如果電池溫度超過+70°C，會hui發fa生sheng燃ran燒shao。鋰li電dian池chi充chong電dian器qi應ying具ju備bei熱re關guan斷duan電dian路lu，該gai電dian路lu監jian視shi電dian池chi溫wen度du，如ru果guo電dian池chi溫wen度du超chao過guo製zhi造zao商shang推tui薦jian的de最zui大da充chong電dian溫wen度du時shi
，則ze終zhong止zhi充chong電dian。

2.2 鎳氫電池（NiMH）
NiMH電池比鋰電池要重一些，其能量密度也比鋰電池低。一直以來

，NiMH電池比鋰電池要便宜，但是最近二者的價格差在縮小。NiMH電池具有標準尺寸
，在大多數應用中可直接替換堿性電池。每節電池的標稱電壓為1.2V，充滿後會達到1.5V。

通常采用恒流源對NiMH電dian池chi充chong電dian。當dang達da到dao充chong滿man狀zhuang態tai時shi
，會hui發fa生sheng放fang熱re化hua學xue反fan應ying，並bing導dao致zhi電dian池chi溫wen度du上shang升sheng，電dian池chi端duan電dian壓ya降jiang低di。可ke檢jian測ce電dian池chi溫wen度du上shang升sheng速su率lv或huo者zhe負fu向xiang電dian壓ya變bian化hua率lv，並bing用yong來lai終zhong止zhi充chong電dian。這zhe些xie充chong電dian終zhong止zhi方fang法fa分fen別bie稱cheng為weidT/dt和-ΔV。充電速率非常低時，dT/dt和-ΔV不太明顯，很難精確檢測到。電池開始進入過充狀態時，dT/dt和-ΔV響應開始顯現。此時如果繼續充電，將損壞電池。
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終止檢測在充電速率大於C/3時要比低充電速率時容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鍾，-ΔV響應也比低充電速率時更明顯。快充結束後，建議以更小的電流再充一段時間
，以徹底充足電池（補足充電）。補足充電階段結束後
，采用C/20或者C/30的涓充電流來補償自放電效應，使電池維持在充滿狀態。圖3所示為采用DS2712 NiMH充電器對NiMH電池（事先已充了一部分電）進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)的(de)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)曲(qu)線(xian)。在(zai)該(gai)圖(tu)中(zhong)
，上(shang)麵(mian)一(yi)條(tiao)曲(qu)線(xian)的(de)數(shu)據(ju)在(zai)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)正(zheng)在(zai)灌(guan)入(ru)電(dian)池(chi)時(shi)獲(huo)得(de)，下(xia)麵(mian)那(na)條(tiao)曲(qu)線(xian)的(de)數(shu)據(ju)在(zai)切(qie)斷(duan)電(dian)流(liu)時(shi)測(ce)得(de)。在(zai)DS2712中
，該電壓差被用來區分NiMH電池和堿性電池。如果檢測到堿性電池，則DS2712不會對它進行充電。

圖3. 采用DS2712充電控製器對NiMH電池充電

2.3 開關與線性
USB 2.0規範允許低功率端口提供最大100mA電流，大功率端口提供最大500mA電流。如果采用線性調整器件來調節電池充電電流
，這也就是最大可提供的充電電流。線性調整器件（圖4）的功耗為P = VQ x IBATT。這會造成調整管發熱，可能需要安裝散熱器
，以防止過熱。

圖4. 功耗等於電池充電電流乘以調整管兩端的電壓

對應5V標稱輸入電壓，調整器件消耗的功率與電池類型、數量和電池電壓有關。

圖5. 采用5.0V電壓的USB端口對NiMH電池充電時，線性調整器件的功耗[page]

標稱輸入電壓為5.0V時，線性USB充電器對NiMH電池充電的功耗計算結果如圖5所示。對單節電池充電時

，線性充電器的效率僅為30%；對兩節電池充電時，效率為60%。用500mA電流對單節電池充電時，功耗會高達2W。這樣的功耗通常需要加散熱器。功耗為2W時，熱阻為+20°C/W的散熱器在+25°C環境溫度下會被加熱至大約+65°C，要得到滿額性能，還需要有流動空氣來協助其散熱。處於空氣靜止的封閉空間內，溫度會更高。

采用基於開關調節器的充電器可解決多個問題。首先，與線性充電器相比
，能夠以更快的速率、更大的電流對電池進行充電（圖6）。由於功耗較低、發熱較少，熱管理方麵的問題也減少了。同時
，由於運行溫度降低
，充電器更加可靠。

圖6. 對單節NiMH電池充電時
，線性充電器和開關充電器的充電時間不同

圖6中的計算結果基於以下條件和假設得到：采用高功率USB口最大允許電流（500mA）的大約90%充電；開關調節器采用非同步整流的buck轉換器
，具有77%效率。

2.4 電路實例
圖7所示電路是用於單節NiMH電池充電的開關模式降壓型調節器。它采用DS2712充電控製器調節充電電流和終止充電。充電控製器監視溫度
、電池電壓和電池電流。如果溫度超過+45°C或者低於0°C

，控製器不會對電池充電。

圖7. USB端口對單節NiMH電池快速充電的原理圖[page]

如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開關功率晶體管；L1是濾波電感

；D1是續流或整流二極管。輸入電容C1為10uF、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會使充電器的性能降低。R7是電流調節器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準電壓為0.125V，並具有24mV滯回。通過CSOUT提供閉環、開關模式電流控製。充電控製引腳CC1將Q2的柵極拉低時，使能Q1的柵極驅動。Q1和Q2均為低Vt （柵-源門限電壓）的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時
，Q2的漏-源電壓將稍大於Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構成了Q1的柵極開關電壓。CC1為低電平時，啟動電流閉環控製。圖8所示為啟動開關時的波形。上方波形是0.125Ω （檢流電阻兩端的電壓
，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開始時，當Q1打開（CC1和CSOUT均為低電平）時

，電感電流向上爬升。當電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達到0.125V時，CSOUT變為高電平，開關關斷。此後
，電感電流開始下降
，直到檢流電阻兩端的電壓達到約0.1V，CSOUT又變為低電平。隻要CC1為低電平，該過程將一直持續。

圖8. USB NiMH充電器的啟動波形

DS2712的內部狀態機控製著CC1的工作。充電開始時
，DS2712先對電池進行狀態測試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，並確認溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低於1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1
，對電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過1.0V後，狀態機轉為快充模式。快充時占空比為31/32，即大約97%。“跳過”的間隙內進行電池阻抗測試，以確保不會對錯誤放入充電器的高阻抗電池（例如堿性電池）進行充電。檢測到-2mV的-ΔV後，快充結束。如果未檢測到-ΔV，將持續快充，直到快充定時器超時，或檢測到過溫或者過壓故障狀態（包括阻抗不合格）為止。快充完成（由於-ΔV或快充定時器超時） 後
，DS2712進入定時補足充電模式
，占空比為12.5%，持續時間為所設快充定時的一半。補足充電完成後，充電器進入維持模式，占空比為1/64
，直到電池被拿走或重新上電。

采用圖7所示充電器和大功率USB端口對2100mAh NiMH電池充電時
，快充時間為2小時多一點，大約3個小時完成包括補足充電在內的全部充電過程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機進行枚舉過程，並需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯一個開漏極nMOSFET。如果MOSFET關斷，則TMR浮空
，DS2712進入掛起狀態。

3 總結

對於小型消費類電子設備的電池充電而言
，USB端口是一個經濟、實用的電源。為完全符合USB 2.0規範，連接在USB端(duan)口(kou)上(shang)的(de)負(fu)載(zai)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)與(yu)主(zhu)機(ji)進(jin)行(xing)雙(shuang)向(xiang)通(tong)信(xin)。負(fu)載(zai)也(ye)必(bi)須(xu)符(fu)合(he)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)要(yao)求(qiu)，包(bao)括(kuo)低(di)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)
，以(yi)及(ji)便(bian)於(yu)主(zhu)機(ji)確(que)定(ding)何(he)時(shi)需(xu)要(yao)從(cong)端(duan)口(kou)吸(xi)取(qu)大(da)電(dian)流(liu)的(de)手(shou)段(duan)。盡(jin)管(guan)部(bu)分(fen)兼(jian)容(rong)的(de)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)適(shi)應(ying)大(da)部(bu)分(fen)USB主機，但有時會出現意想不到的結果。隻有很好地理解USB規範要求和負載的期望
，才能在對於規範的兼容性與負載複雜度之間取得較好的平衡。