解读USBIF电池充电规范.doc

解读USBIF电池充电规范背景2009年4月，全球移动通信系统协会(GSMA)联合OTMP(手机开放组织联盟)17家移动运营商和制造商宣布实施跨行业的通用充电器标准，此标准采纳了USB-IF的micro-USB接口作为手机数据和充电的统一接口，并采纳USB-IF的Battery Charging 规范作为充电规范。USB-IF公布了1.1版的Battery charging规范(以下简称为BC规范)，比起两年前公布的1.0版本，这个新版本有了较大更新和补充。同时，与之配套的测试规范也正在制定中，预计将在年内颁布和实施。届时USB Battery Charging相关测试项目将纳入到USB兼容测试认证中。电池充电规范原有USB2.0规范并没有考虑到使用USB接口为便携式设备的电池进行充电的需求，而这样的需求却越来越多。BC规范要解决的就是这个问题，符合规范的设备和系统即向下兼容USB2.0标准，又针对充电做出了特别的优化。实际上，BC规范的核心内容就是引入了充电端口识别机制。一个符合BC规范的便携式USB设备或OTG设备通过这套机制可以识别出是插到了一个标准的USB下行接口(Standard Downstream Port );一个USB专用充电器(USB Charger);还是一个针对充电做过优化的USB下行接口(Charging Downstream Port)。然后，这些设备将根据不同的情况，按照BC规范的要求来获取不同的电流。便携式设备和三种USB充电接口 Portable DevicePortable Device(以下简称PD)指电池供电的便携式USB外设或者OTG设备，可以通过USB接口来为自身的电池充电。BC规范建议这些的PD应该具备相应的端口识别能力和对从USB总线获取电流的控制能力。 Standard Downstream Port基本上，这个Standard Downstream Port指符合现有USB2.0规范的主机(HOST)或集线器(HUB)上的下行USB接口。根据USB2.0规范，当USB外设处于未连接(un-connect)或休眠(suspend)的状态时，一个Standard Downstream Port可向该外设提供不超过2.5mA的平均电流;当外设处于已经连接并且未休眠的状态时，电流可以至最大100mA;而当外设已经配置(configured )并且未休眠时，最大可从VBUS获得500mA电流。 Charging Downstream PortCharging Downstream Port是即兼容USB2.0规范，又针对USB充电作出了优化的下行USB接口，它可以是主机上的USB接口，也可以是USB集线器上的。这些下行USB接口能配合Portable Device 完成充电端口识别动作，并提供最大至1.5A的供电能力，满足PD大电流快速充电的需求。今后很有可能会出现这样的产品，一台笔记本电脑上1个Charging Downstream Port和多个Standard Downstream Port同时存在，用户可以将手机或其他PD连接到Charging Downstream Port进行快速充电，并且在充电的同时可以进行数据连接。 USB ChargerBC1.1规范中定义的USB Charger与目前市面上可以买到的USB专用充电器类似。USB Charger通过USB口为PD提供充电所需电能，BC1.1要求将USB Charger中的D+和D-进行短接，以配合PD的识别动作，但它不具备和USB设备通信的能力。规范中对USB Charger的电压电流输出能力做出了较严格要求，以确保PD的安全。USB端口识别机制BC规范的核心在于充电识别机制，通过这个机制，当PD插入到USB接口时，PD将识别出所插入的USB接口类型。当PD插入到USB接口以后，它向D+上加载一个0.6V左右的电压(VDP_SRC)，随后，PD开始检测D-线上的电压，查看是否收到0.6V的电压回应(VDM_SRC)。因为Standard Downstream Port不会对D+上的0.6V信号作出任何回应，所以如果PD插入的是Standard Downstream Port,那么D-将保持为低电平(图1)。在Charging Downstream Port中，采用了与PD类似并且与之互补的检测电路，当它检测到D+上有0.6V时，它将随即向D-加载0.6V电压，以回应PD;而在USB Charger中，由于D+和D-是短接的，所以当D+上被加载0.6V电压时，D-也变成了0.6V。所以，PD插入到Charging Downstream Port 或是USB charger, 则D-线上会被回应一个0.6v电压。此后，PD先将D+(PD为高速或全速设备)或D-(PD为低速设备)拉高至逻辑高电平， 然后通过检测另外一根数据线的电压来区分是Charging Downstream Port 还是USB charger。因为Charging Downstream Port在充电检测时期，只回应VDP_SRC而不会回应逻辑高电平，所以它将保持数据线为低(图2)。由于USB charger内部短接了D+和D-，如果一根数据线被拉高，那么另一根数据线也将变成高电平(图3)。通过以上的检测机制，PD就可以识别出所插入的是何种USB端口。无电电池充电机制无电电池充电机制Dead Battery Provision(以下简称DBP)在BC1.1规范中是一个独立的章节，DBP针对一个装有无电或低电量电池的PD插入到Standard Downstream Port的情况进行了新的规范，它实际上是对USB2.0规范的扩展，确保BC1.1规范向下兼容USB2.0规范。USB2.0规范要求USB外设在未连接HOST时，从VBUS吸取的电流不能超过2.5mA。但有一些PD在启动时的数秒钟内需要消耗100mA以上的电流，如果这些便携设备自身的电池电量不足或彻底没电时，它将从VBUS上获取这些电流。因此，当这样的设备插入到USB端口时，可能无法启动;更多情况是，由于多数HOST或者HUB并不限制设备消耗的电流，因此设备将以大电流启动，虽然他们也可以正常工作，但是这将导致USB系统的不稳定，同时这些设备也不能通过USB兼容认证测试。DBP就是针对这种情况，有条件地放宽了USB2.0的要求。DBP规定，使用电池的便携式USB设备在插入(Attach)到USB端口到和主机连接(Connect)这一时间段内，最多可以从VBUS获取100mA的电流(USB2.0标准是2.5mA)，但是要满足下列条件： PD安装的电池应该处于无电或低电量的状态，即PD使用这样的电池将不能开机; 当PD插入到USB端口以后并需要开始获取大于2.5mA的电流时，PD须将D+拉高至0.5-0.7V,并一直保持到和主机连接(Connect); 这些从VBUS获取的电流应该用于PD给电池充电，从而使得PD最终能够连接(Connect)和枚举(Enumerate); 这个以大于2.5mA电流充电的过程不得超过45分钟。充电电流比较BC规范通过对原有USB2.0的扩展和引入新的充电机制，较大地提升了USB接口的充电能力，方便PD以大电流快速充电。表1给出了不同情况下，供给PD充电的最大电流。辅助充电适配器(Accessory Charger Adapter)BC1.1较之1.0版本，新引入了辅助充电适配器(Accessory Charger Adapter 以下简称ACA)的概念。随着便携式设备变得越来越小，多数的PD只有一个USB接口用于连接外设或者充电, 但连接外设和充电不能同时进行。例如，当一部手机通过USB接口连接了外置耳麦的时候，就不能通过USB接口进行充电了。ACA的用途就是让PD可以同时连接USB外设和通过USB端口充电。ACA具有三个端口：OTG Port用于连接便携式设备(OTG Device);Accessory Port 用于连接USB外设;Charger Port用于连接USB充电端口，可以是一个USB专用充电器也可以是一个Charging Downstream Port(图4)。相关测试目前，和BC1.1配套的测试规范正在由USB-IF Battery Charging小组制定中。根据BC1.1的内容，测试规范将分成三个部分：Portable Device Compliance Plan;Charging Port Compliance Plan;ACA Compliance Plan。其中，前两个部分完成后，将被纳入到现有的USB兼容测试证中去。也就是说，如果一个PD产品需要获得USB兼容性认证(使用USB Logo)，不仅要进行传统USB兼容测试，还要进行BC部分的测试。Portable Device Compliance Plan检测PD是否满足BC1.1规范，主要有两个方面，一是针对BC1.1中的DBP部分，重点检查当一个安装电池的PD插入一个Standard Downstream Port时，PD从USB总线消耗的电流是否满足要求;消耗的电流是否只用于电池充电而不用于其他;当PD消耗的电流以大于2.5mA时，PD是否向D+上加载0.6v电压;PD插入USB端口时的冲击电流是否满足要求等等。另一方面，Portable Device Compliance Plan将着重测试PD的充电端口检测机制。被测PD将被分别连接至Stand Downstream Port，Charging Downstream Port和Dedicated Charging Port，同时，PD上的电压(VBUS)、电流( IBUS)、D+，D-将被记录下来，这些电压电流以及时序关系将被用来判断该PD是否符合BC1.1规范。Charging Port Compliance Plan针对USB专用充电器以及Charging Downstream Port进行测试。主要包括对电压，电流等输出参数的测试，还包括上冲/下冲，短路/恢复等特定情况的测试。需要指出的是，目前已经颁布的中国手机充电器标准(YDT 1591-2006)与本测试的部分内容相似，但也有所区别。总体上来讲，YDT 1591-2006只针对USB充电器作出了规范，并在充电器绝缘、安规等方面给出了详细的要求;而BC1.1规范引入了完善的充电机制并给出了相关的具体要求，它涉及充电电能的使用者(便携式外设)和充电电能的提供者(USB端口)两个方面。而对于USB专用充电器部分， BC1.1中有专门定义和规范，并且对于USB专用充电器输出能力、短路保护、标识等提出更详细的要求。结语USB是一个成功的接口标准，数以亿计的USB设备遍布于我们的生活中。BC1.1规范给予了USB标准以新的活力，它一方面解决了现有USB2.0标准的不足，另一方面为消费者提供了更大的便利。相信会有更多的USB便携式设备使用USB接口进行充电，也相信BC标准会在不久的将来得到迅速推广和普及。参考文献1 Battery Charging Specification Revision 1.0 S2