消費者希望其設備的電源線和連接線越來越少，并期望獲得通過計算機或AC插座充電的靈活性，因此要求幾乎所有目前和未來推出的手持設備都能通過USB電源和AC墻上適配器充電。

　　通過USB給電池充電存在許多挑戰(zhàn)。使用同一條線纜的要求、以及由此而來的USB和AC適配器單輸入，這些都意味著系統(tǒng)必須能夠識別并使用兩種電源。在本文中，我們以bq2407x系列器件為例來介紹簡化便攜式應用鋰離子(Li-Ion)電池充電系統(tǒng)設計的一些特性和規(guī)范。具體而言，我們將討論輸入電流極限、靜態(tài)電流、輸入電壓動態(tài)電源管理(VIN-DPM)以及中國充電器規(guī)范的影響。這些特性簡化了便攜式應用的充電器設計。

　　輸入電流極限

　　公認的USB規(guī)范是USB設備的電流消耗。USB電源分為低功率和高功率電源。低功率電源被定義為非自供電USB集線器。這些設備使用來自USB電源的500mA電流，且必須在所有連接至集線器的設備之間共用電流。

　　低功率電源可提供4.4V的工作電壓，其電流極限設定在一個單位負載，即USB1.x和2.0下的100mA。就超高速(SuperSpeed)USB而言，單位負載被增加到了150mA。高功率電源是一些自供電的集線器或者計算機USB端口，其可提供工作電壓為4.75V，擁有高達5個單位負載的電流，即USB1.x和2.0下每個端口500mA，或者超高速USB下6個單位負載(900mA)。所有設備默認均為低功率模式，但在枚舉主機時會要求高功率模式。

　　除高功率和低功率端口以外，許多設備均通過使用相同連接器的AC適配器來運行。這些電源可提供高達1.5A的電流(USB線纜傳輸能力)。

　　設備不能使用2.5mA以上的電流時，終模式為掛起模式。USB設備必須支持所有這四種模式才能通過USB規(guī)范。

　　充電設備的輸入電流極限不能超出USB規(guī)范。這就是說必須在產品說明書中找到技術說明規(guī)范，以驗證在所有工藝差異和溫度下均能夠保證電流極限不超出USB極限。

　　圖1是bq2407x產品說明書的一部分，其清楚地標明了輸入極限規(guī)范。請注意，規(guī)范的數值為USB極限。這樣就可以確保溫度、工藝和輸入電壓下的所有bq2407x器件都在USB規(guī)范以內。USB規(guī)范極限列出的典型值是不允許出現的，因為一些部件會超出該值。如果值大于USB規(guī)范，則存在違反USB規(guī)范的可能性。

圖1：bq2407x產品輸入極限。

　　主機要求系統(tǒng)進入USB掛起模式時，規(guī)范極限為2.5mA。驅動EN1和EN2為高電平使得bq2407x進入USB掛起模式。這種模式下，靜態(tài)電流減少至50μA()。如果其他電路由VBUS電源供電運行，則這會給設計人員帶來較大的裕量。就待機模式電流規(guī)范而言，其通常出現在電氣特性表的靜態(tài)電流部分。

　　圖2顯示了bq2407x的靜態(tài)電流。請注意，在USB掛起模式(EN1=EN2=HI)下，靜態(tài)電流為50μA(VBUS=6V)，其大大低于USB掛起模式的2.5mA要求。

　圖2：bq2407x產品靜態(tài)電流。

　　USB啟動問題

　　USB 2.0規(guī)范規(guī)定“并聯一個單位負載時(100mA)，線纜下行端允許的負載(CRPB)為10μF。10μF電容代表一個VBUS線之間直接連接的旁路電容器，加上通過設備調節(jié)器的所有可見電容效應。”。

　　要對此進行測試，USB-IF測試程序文檔1.3版描述為“USB規(guī)范允許高達10μF硬啟動，其可形成50.0μC的浪涌電流值?！?0μC由公式1計算得到：

　　我們如何將其變?yōu)殡娏鳂O限呢？安培的單位為庫侖每秒。這就是說在啟動期間，電流極限以上的浪涌電流乘以電流極限以上的時間，所得結果必須小于50μC。如公式2所示：

　　IIN_AVG代表浪涌電流期間的平均輸入電流。充電器的輸入電流極限必須防止來自USB電源的電流超出50μC。

　　圖3顯示了在100mA模式下bq2407x的啟動情況。高亮區(qū)域代表允許的過沖充電區(qū)域。bq2407x的輸入電容要求為1μF。這超出了符合輸入電容規(guī)定的程度。輸入電流極限讓設計人員不必擔心系統(tǒng)的電容值，因為USB電源絕不會出現這種電流。

圖3：輸入電流啟動波形，EN1=EN2=GND,VBAT

　　bq2407x的輸入電容要求為1μF。硬啟動1μF要求5μC。這種啟動的系統(tǒng)電容為47μF，且不能直接通過USB端口啟動。就輸入電流極限而言，硬啟動系統(tǒng)電容并開始充電都不成問題。輸入電流閾值小于100mA規(guī)范，因此首次啟動以后便不會違反USB100規(guī)范。

　　弱電池閾值

　　USB規(guī)范要求在VBUS電源的電流大于2.5mA以前枚舉主機。但是，規(guī)范中有一條關于零電量、弱電量或無電池情況的規(guī)定。規(guī)定如下：“一個零電量、弱電量或無電池情況的設備需要在連接后100ms左右的時間提供100mA的電流，以確定它是否可以連接?！盵3]如果設備不能在100ms時間內以100mA啟動，則可能會出現問題。

　　為了解決這個問題，USB規(guī)范增加了一條電池充電的具體規(guī)定。其規(guī)定“如果便攜式設備不能以低于100mA的電流上電并連接，該零電量或弱電量電池的設備則可以使用主機提供的100mA電流首先將其電池充電至其弱電量電池閾值。一旦達到其弱電量電池閾值，立即要求設備上電并連接。”在弱電量電池閾值以上，假設電池足以為主機供電，因此主機開啟。每種應用都定義了其自身的弱電量電池閾值。bq2407x的硬件使能以及一個簡單的電壓探測器使得設計人員能夠輕松地滿足這一要求。圖4顯示的是弱電量電池閾值情況下的一款簡單解決方案。

　　必須對電壓探測器進行應用弱電量電池閾值設置。例如，TPS3836有數個有效閾值。另外，為了獲得的靈活性，一些電壓探測器提供了可調節(jié)閾值。就這種應用來說，重要的電壓探測器特性是一種有源低電平RESET(VIN

　　圖5顯示了實施波形。將弱電量電池閾值設定為3.3V。當插入3.5V電池時，其被識別為一塊狀態(tài)良好的電池，同時EN1和EN2被TPS3836拉為高電平。枚舉主機以后，主機拉低EN2，以將bq24072電池充電器設置為USB500模式。這種方法假定HOST關閉時HOST GPIO 為高阻抗。

　　基于輸入電壓的動態(tài)電源管理(VIN-DPM)

　　USB規(guī)范規(guī)定，在通過所有集線器和線纜以后的滿負載條件下，低功率端口設備的輸出可以低至4.4V。一些設備實施了基于輸入電壓的動態(tài)電源管理(VIN-DPM)。該環(huán)路降低了輸入電流極限，以防止輸入崩潰。圖6顯示了無VIN-DPM保護情況下USB端口過負載的后果。請注意，當輸入電壓降至“電源良好”閾值以下時，充電器關閉。這樣會關閉電源的負載，并允許輸入電壓恢復，從而開啟充電器。這種開/關脈沖是多余的。

圖6無VIN-DPM的輸入崩潰

　　VIN-DPM通過限制輸入電流來阻止出現脈沖，從而防止輸入電源崩潰。圖7顯示了使用bq2407x充電器時USB端口過載的結果。VIN-DPM功能生效來降低輸入電流極限，并防止電源崩潰。

圖7使用了VIN-DPM的輸入過載保護

　　中國充電器標準

　　展望未來，中國針對在中國銷售的充電器適配器制定了一套標準，旨在減少每年1億多淘汰手持設備的廢棄適配器數量。這種新的標準使用了許多USB規(guī)范。就這點而言，其要求適配器電源線有一個標準的A型USB連接器，以插入AC適配器或標準的USB端口。充電器必須能提供300mA和1.8A之間的電流。額定適配器電壓為5V+/-5%，而且充電器必須工作在低于6V的電源下。電源超過6V時，下游電路必須得到保護。

　　許多電池充電器IC都具有幫助達到中國充電器標準的功能。顧名思義術語“通用充電器”，即充電器IC的輸入必須穩(wěn)健到能夠應對許多不同的電源，并且不再是只為單個特定適配器而進行設計。它們必須能夠經受得住高壓電源(例如：12V車載電源等)的意外接入。如bq2407x等器件的寬輸入電壓范圍可在高達28V的輸入瞬態(tài)電壓條件下為下游設備提供保護。這種高輸入電壓范圍和過壓保護(OVP)功能可保護電池充電器和下游設備免受錯誤或潛在有害輸入電源的損壞。

　　VIN-DPM特性還有助于達到中國充電器標準。通用適配器可提供300mA和1.8A之間的電流。使用沒有VIN-DPM的設備時，如果IC編程為500mA輸入電流極限，則會使300mA適配器崩潰。VIN-DPM功能可防止輸入在連接弱適配器時崩潰，而且仍然允許將電流極限針對典型適配器進行設置以化充電時間。

　　結論

　　消費者希望其設備的電源線和連接線越來越少，并期望獲得通過計算機或AC插座充電的靈活性，因此要求許多目前和未來推出的手持設備都能通過USB電源和AC墻上適配器充電。這樣，手持設備就必須要符合USB規(guī)范。這些要求給電池充電帶來了諸多新的挑戰(zhàn)。本文中，我們使用了bq2407x系列器件來介紹一些輸入電流極限規(guī)范、靜態(tài)電流、輸入電壓動態(tài)電源管理(VIN-DPM)的例子，這些特性簡化了電池充電器的設計。另外，我們還探討了中國充電器標準對充電器設計的影響。我們簡要介紹的這些規(guī)范和特性簡化了充電器設計。