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USB接口充电知识及常用电源管理芯片介绍

　　毋庸置疑，USB电源的最大用途是能够为便携产品的电池充电。但是，无论是USB电源还是其它电源，电池充电都不仅仅是从电源取电这样简单。对于Li+电池尤其如此，充电不正确不仅会缩短电池寿命，而且存在安全隐患。设计合理的充电器可以优化安全性并增强用户体验，同时它还降低了退货、维修担保等风险，进而降低成本。

　　通过USB为电池充电需要权衡电池“维护和保养”，考虑USB功率限制以及便携式消费产品设计中存在的体积和成本问题。本文讨论了如何在这些因素中达到最佳平衡。 并介绍了Maxim生产的常用USB电源管理芯片及应用.

　　供电端口

　　USB规范已经经历了几代电源管理技术。最初的USB 1和USB 2.0规范规定了两种类型的电源(分别是5V 500mA和5V 100mA)，为所连接的设备供电。这些规范并非针对电池充电，而是用于小型外设供电，例如麦克风和键盘。但这并不妨碍设计人员设计出自己的USB电池充电装置。然而，如果没有统一指导，不同装置和充电器之间的互操作性就得不到保证。这种限制促使近期开发了USB规范补充说明：电池充电规范，1.1版，4/15/2009 (BC1.1)¹，补充了充电知识和电源说明，最大电源电流可达1.5A。尽管标题为“电池充电规范”，但该文件几乎没有包括关于充电电池指标的任何信息，只是规定了应该从USB端口吸收多大功率充电。实际充电方法依然会留给设计人员。

　　在BC1.1之前，所有USB电源端口在有效工作(即USB术语中的“非挂起”模式)时，归为“低功率”(100mA)或“大功率”(500mA)。任何端口也可以“挂起”，意味着接近关闭，但仍可提供2.5mA电流。对于大多数设备，PC、笔记本电脑或供电集线器(供电集线器是一种USB中断盒，利用自身的墙上适配器电源提供总线供电)端口为“大功率”，除了上行USB主机提供的电源外，不接收其它电源的集线器端口被认为是“低功率”。插入装置后，最初允许吸收最大100mA的电流，同时进行枚举并与主机协商其电流预算。随后，可能允许吸收高达500mA的电流，或者是保持在100mA。在USB串行总线规范2.0版的第7.2.1.4部分对此进行了详细规定。

　　BC1.1的内容超出了USB 2.0规定的电源分配，它定义了更多用于充电的电源。主要有三种不同类型的电源：

　　标准下行端口(SDP)这与USB 2.0规范定义的端口相同，也是台式机和笔记本电脑常见的典型端口。挂起时，最大负载电流为2.5mA;连接且非挂起状态下为100mA，可以配置电流为500mA (最大)。设备可利用硬件识别SDP，USB数据线D+和D-分别通过15kΩ接地，但仍然需要枚举，以符合USB规范。尽管现在许多硬件不经枚举即消耗功率，但在USB 2.0规范中，从严格意义上并不合法，违反规范要求。

　　充电下行端口(CDP) BC1.1为PC、笔记本电脑及其它硬件规定了这种较大电流的新型USB口。现在，CDP可提供高达1.5A电流，由于可在枚举之前提供电流，所以有别于USB 2.0。插入CDP的装置可通过操纵和监测D+、D-线，从而利用硬件握手识别CDP (参见USB电池充电规范第3.2.3部分)。在将数据线转为USB收发之前进行硬件测试，这样就能够在枚举之前检测到CDP (以及开始充电)。

　　USB连接术语

　　这里，我们有必要介绍一下部分USB术语，包括“插入”、“连接”、“枚举”和“配置”。

　　插入：插入USB电缆的物理过程。

　　连接：设备将1.5kΩ上拉电阻连接至D+或D-数据线时(刚插入)。

　　枚举：设备和主机之间交换初始数据，识别设备类型。

　　配置：设置设备参数。

　　在USB 2.0中，设备进行枚举和配置期间需要了解USB端口可源出多大电流。枚举和配置需要设备与主机之间进行数字通信。BC1.1扩展了USB规范，除USB 2.0选项外，BC1.1还允许利用“哑”操作确定端口类型，所以，有些端口无需枚举即可充电。

端口检测和自枚举充电器

　　MAX8895判断如何使用所提供的输入电源，与系统评估电源无关。充电器自动确定适配器类型，能够区分以下类型：

　　DCP：500mA至1.5A

　　CDP (主机或集线器)：高速充电时达到900mA (啁啾期间为580mA);低速和快速为1.5A

　　低功率SDP (主机或集线器)：100mA

　　大功率SDP (主机或集线器)：500mA

　　所提供的电流支持电池充电或系统供电，或在它们之间进行分配。如果在长达10ms内未检测到总线流量，内置挂起定时器自动触发挂起。

　　除了自动优化来自USB及适配器电源的电流外，MAX8895还巧妙处理适配器、USB供电和电池供电之间的转换;允许系统在必要时利用所有能够利用的输入电源(图3)。施加电源时，电池耗尽或没有电池同样可以保持工作。集成了所有功率控制MOSFET，无需外部二极管。热调节环路在极限温度下自动降地充电电流，以降低管芯温度。

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　　专用充电端口(DCP) BC1.1规定了不进行枚举的电源，例如墙上适配器电源和汽车适配器，不需要数字通信即可启动充电。DCP可提供高达1.5A电流，通过短路D+和D-进行识别，从而能够设计DCP“墙上适配器电源”，采用USB mini或微型插孔，而非圆形插头或自制连接器的固定安装线。这样的适配器可采用任意USB电缆(配备正确插头)进行充电。

　　USB电池充电规范，1.1版，4/15/2009中对这些接口类型进行了详细规定。

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