通过USB总线为电池充电

通过 USB 总线为电池充电 来源 电子产品世界 作者 Dallas Maxim 公司 2006 05 09 点击 478 通用串行总线 USB 端口是一种带有电源和地的双向数据端口 USB 可以连接所有类型的外围设备 包括外部驱动器 存储设备 键盘 鼠标 无线接口 摄像机和照相机 MP3 播放器以及数不尽的各种 电子设备 这些设备有许多采用电池供电 其中一些带有内置电池 对于电池充电设计来说 应用广泛 的 USB 既带来了机遇 也带来了挑战 本文阐述了如何将一个简单的电池充电器与 USB 电源进行接口 文章回顾了 USB 电源总线的特性 包括电压 电流限制 浪涌电流 连接器以及电缆连接问题 同时介 绍了镍氢电池 NiMH 和锂电池技术 充电方法以及充电终止技术 给出了一个完整的示例电路 用于实 现 USB 端口对 NiMH 电池智能充电 并给出了充电数据 USB 特性特性 无处不在的 USB 总线能够为所有类型的低功耗电子设备提供电源 总线电源与电网隔离 并且具有 很好的稳定性 但是 可用电流是受限的 同时负载和主机或电源之间存在潜在的互操作问题 USB 端口由 90 双向差分屏蔽双绞线 VBUS 5V 电源 和地组成 这 4 条线由铝箔内屏蔽层和编 织网外屏蔽层进行屏蔽 最新的 USB 规范标准是 2 0 版 可以从 USB 组织 www USB org 免费获得 要做到完全符合该规范标准 需要通过一个功能控制器来实现设备和主机间的双向通信 规范定义了 1 个单位负载为 100mA 最大 任何设备允许吸取的最大电流为 5 个单位负载 USB 端口可分为低功率端 口和大功率端口两类 低功率端口可提供 1 个单位负载的电流 大功率端口可最多提供 5 个单位负载的 电流 当设备刚连接到 USB 端口时 枚举过程对器件进行识别 并确定其负载要求 在此过程中 只允 许设备从主机吸取最多 1 个单位负载的电流 枚举过程完成后 如果主机的电源管理软件允许 则大功 率设备可以吸取更大的电流 某些主机系统 包括下游 USB 集线器 通过保险丝或者有源电流检测器提供限流功能 如果 USB 设 备未经过枚举过程便从 USB 端口吸取大电流 超过 1 个单位负载 则主机会检测到过流状态 并会关闭 正在使用的一个或多个 USB 端口 市场上供应的许多 USB 设备 包括独立电池充电器 都没有功能控制 器来处理枚举过程 但吸取的电流却超过了 100mA 在这种不恰当的条件下 这些设备可能导致主机出 现问题 例如 如果一个吸取 500mA 电流的设备插入总线供电的 USB 集线器 而且未进行正确的枚举过 程 则可能导致集线器端口和主机端口同时过载 主机操作系统采用高级电源管理时情况会更加复杂 特别是笔记本电脑 它总是希望端口电流尽可能低 在某些节电模式下 计算机会向 USB 设备发出挂起 命令 而后则认为设备进入了低功耗模式 设备中包含一个能与主机进行通信的功能控制器始终是一个 比较好的做法 即使对于低功耗设备来说也是如此 USB2 0 规范非常全面 规定了电源的质量 连接器构造 电缆材质 容许的电压跌落以及浪涌电流 等 低电流和大电流端口具有不同的电源指标 这主要是由主机和负载间的连接器和电缆上的电压跌落 决定的 并包括由 USB 供电的集线器上产生的电压跌落 包括计算机或者自供电 USB 集线器在内的主机 都具有大电流端口 可提供最大 500mA 的电流 无源 总线供电的 USB 集线器具有低电流端口 表 1 列 出了 USB 大电流和低电流端口上游端 电源 引脚允许的电压容限 点击看原图 在符合 USB2 0 规范的主机中 大功率端口的上游端具有 120 F 低 ESR 电容 所连接的 USB 设 备的输入电容限制在 10 F 以内 在最初的负载连接阶段 允许负载从主机 或自供电集线器 吸取的最 大电荷数为 50 C 这样一来 当新设备连接至 USB 端口时 上游端口的瞬态电压跌落小于 0 5V 如果 负载正常工作时需要更大的输入电容 则必须提供浪涌电流限制器 以保证对更大的电容充电时电流不 会超过 100mA 当 USB 端口带有一个总线供电的 USB 集线器 集线器上接了低功耗设备时 USB 口上 允许的直流电压跌落如图 1 所示 大功率负载与总线供电的集线器连接时 电压跌落将超过图 1 给出的 指标 并会引起总线过载 图 1 主机至低功率负载的电压跌落大于图中给出的允许直流电压跌落时 会引起总线过载 电池充电要求电池充电要求 单节锂离子和锂聚合物电池单节锂离子和锂聚合物电池 如今的锂电池充电至最大额定容量后 其电压通常为 4 1V 至 4 2V 之间 当前市场上正在出售的 更新 的 容量更大的电池 其电压范围在 4 3V 至 4 4V 之间 典型的棱柱形锂离子 Li 和锂聚合物 Li Poly 电池容量为 600mAh 至 1400mAh 对 Li 和 Li Poly 电池来说 首选的充电曲线是从恒流充电开始 一 直持续到电池电压达到额定电压 然后 充电器对电池两端的电压进行调节 这两种调节方式构成了恒 流 CC 恒压 CV 充电方式 因此 这种类型的充电器通常称为 CCCV 充电器 从图 1 所示的 USB 电压 跌落指标可以看出 端口供电集线器的下游低功率端口电压不具备足够的余量 很难将电池充至 4 2V 充电通路上存在的小量额外电阻会妨碍正常充电 镍氢电池 镍氢电池 NiMH NiMH 电池比锂电池要重一些 其能量密度也比锂电池低 一直以来 NiMH 电池比锂电池要便宜 但是最近二者的价格差在缩小 NiMH 电池具有标准尺寸 在大多数应用中可直接替换碱性电池 每节电 池的标称电压为 1 2V 充满后会达到 1 5V 通常采用恒流源对 NiMH 电池充电 当达到充满状态时 会 发生放热化学反应 并导致电池温度上升 电池端电压降低 可检测电池温度上升速率或者负向电压变 化率 并用来终止充电 电路实例电路实例 图 2 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 如图 2 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 10 F 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 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 CC1 为低电平时 启动电流闭环控制 图 3 所示为启动 开关时的波形 上方波形是 0 125 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 V 后 快充结束 如果未检测到 V 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 V 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 图 2 USB 端口对单节 NiMH 电池快速充电的原理图 USB NiMH 充电器的启动波形 采用图 2 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 结语结语 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 利用过压保护 IC 实现电池保护和切换功能 来源 电子产品世界 Maxim 公司 2005 10 29 点击 963 为了尽可能延长电池的使用寿命 大多数便携式设备采用内 外两种供电模式 没有外部电源时采 用设备自带的电池供电 当有外部电源接入时立即切换到外部电源 这样 就需要一套专门的电路来检 测是否有外部电路接入 同时 还需要一套电路来控制电源切换开关 此外 目前越来越多的设备采用 锂离子电池供电 锂离子电池具有能量密度高 无记忆效应等优点 但它的缺点也很明显 相比传统的 镍镉 镍氢电池更为脆弱 锂离子电池对于过充 过放非常敏感 过度的充电和放电会严重影响其使用 寿命 因此 在一些高端设备所用的电池中 例如手机 笔记本等 都组装了一个保护板 对电池的充 放电进行保护 但是 在一些中低端电池中 出于成本考虑制造商并没有加保护板 需要在电池外部对 电池进行充 放电保护 充电保护可以由合理的充电器设计来提供 放电保护就需要在负载端来实施了 这就需要另一套电路来检测电池电压 当电池电压降到保护点时切断供电通路 停止放电 最简单的电源切换电路用两个二极管 或 的方式即可实现 但二极管的正向压降会浪费掉可观的 电池电量 以单节锂离子电池为例 额定放电电压约为 3 7V 那么 0 7V 的二极管正向压降使近 20 的 电池电量白白浪费掉 即使采用正向压降更低 0 3V 0 4V 的肖特基二极管 也会有将近 10 的电量被 浪费掉 而肖特基二极管比较大的反向漏电 毫安级 又会产生另外一些问题 二极管也无法提供放电 保护 需要额外增加开关及控制电路来做过放保护 比较理想的方案是用 MOSFET 作为切换和保护开关 MOSFET 具有毫欧级的导通电阻 它所引起的 压降几乎可以忽略 当电池电压过低时也可以利用 MOSFET 切断供电通路 保护电池 但需要设计一套 专门的电路来检测电压和驱动 MOSFET 栅极 可以用一些标准电压比较器 电压基准和分离元件实现这 部分功能 但这会增加电路的元件数和复杂度 增大静态功耗 Maxim 的 MAX4838 MAX4842 系列过压保护控制器设计用于为电路提供过 欠压保护 IC 内部集成 了电压监视电路和高端 N 沟道 MOSFET 驱动器 正好可以借用它来实现上述控制 图 1 就是一个针对单 节锂离子电池的应用而设计的应用电路 图 1 利用 MAX4842 过压保护 IC 实现电池切换和保护 该设计利用 MAX4842 的欠压锁定功能 UVLO 实现对于电池的放电保护 MAX4842 的欠压锁定门 限为 2 8V 3 2V 单节锂离子电池的放电终止电压为 2 7V 左右 电池放电到 3 2V 时也基本放空 如图 2 所示 因此 无需任何调整 该门限范围恰好适用于单节锂电池 另外 MAX4842 的过压保护门限为 4 4V 5 0V 也高于单节锂电的 4 2V 上限电压 电源切换电路 是利用 MAX4842 的使能控制引脚 EN