USB电池充电和适配器仿真器

在家里、在车内或插入计算机时，USB 供电的便携式设备需要一种智能方法来确定正常运行和充电所需的适当电量。受便携式设备种类繁多、USB 端口差异以及可充电电池复杂性的推动，USB 电池充电规范修订版 1.2 是建立从 USB 端口为电池充电的正确方法的关键标准。但即使采用BC1.2规范，一些便携式设备制造商仍然采用了专有充电器，使USB电池充电领域进一步复杂化。本文讨论了 USB 电池充电的最新行业标准的推动力以及每个标准定义的规范。它还提出了实现能够为各种专有便携式设备进行大电流充电的USB端口的简单策略。

介绍

停在原地，环顾四周。您很可能会看到有人使用便携式设备。在家里、在车内或插入计算机时，USB 供电的便携式设备需要一种智能方法来确定正常运行和充电所需的适当电量。由于便携式设备的种类繁多、USB 端口的差异以及可充电电池的复杂性，2010 年发布的 USB 电池充电规范修订版 1.2（标识为 BC1.2;见 www.usb.org/developers/docs/devclass_docs/）是建立从 USB 端口为电池充电的正确方法的关键标准。但即使采用BC1.2规范，一些便携式设备制造商仍然采用了专有充电器，使USB电池充电领域进一步复杂化。

本文讨论了 USB 电池充电的最新行业标准的推动力以及每个标准定义的规范。它还提出了实现能够为各种专有便携式设备进行大电流充电的USB端口的简单策略。

对电池充电标准的需求——BC1.2 之前的时代

USB的广泛采用是因为它能够为外围设备供电。USB 构思于 1990 年代中期，最初旨在将外部设备（例如键盘、鼠标、打印机、外部驱动器等）连接到计算机。随着越来越多的不同便携式产品受到青睐，为它们供电的需求也随之增加。通过用于数据传输的同一连接器供电的能力使USB在便携式市场上具有直接而显着的优势。

在 2007 年第一个电池充电规范之前，尝试为电池充电本质上是一种废话——非常不可预测的结果。在2000年中使用USB 2.0时，外围设备默认可以消耗100mA，除非它明确协商将电流增加到最大500mA。如果延迟后总线上没有数据活动，总线将进入“挂起”模式，将允许的电流消耗限制在2.5mA。如果电池完全耗尽的便携式设备尝试从标准端口充电，则只能可靠地消耗2.5mA！

实际上，许多电子产品制造商仍然没有严格遵守USB 2.0规范，因为他们没有在他们提供的USB端口中实施这些电流限制。一些（读取：大多数）USB端口允许100mA，无论枚举和持续活动如何;一些端口甚至提供500mA，而不考虑所需的电源协商。一些便携式设备的应用需要超过100mA的电流，并错误地假设USB端口始终提供500mA电流。

一个好的充电方案必须知道如何向便携式设备发出信号，从USB端口获取哪些功率水平是安全的。虽然很合乎逻辑，但之前模棱两可的 USB “事态”存在一个主要问题——如果消耗的电流超过预期，USB 端口将如何响应？某些端口将完全关闭并保持关闭状态，直到拔下并重新连接外围设备。其他端口将发出 USB 系统重置并重新启动枚举过程。

BC1.2 推出

电池充电不是USB的原始功能。因此，在BC1.2之前，没有官方规定为断电设备的电池充电。通过建立一种清晰的方法来通信USB端口的电源功能，BC1.2可以解决其中的许多问题。

无论可充电电池使用何种材料，在操作和充电过程中都需要特别考虑每种材料。例如，Li+电池制造商有时会指定最低放电水平;超过此阈值的深度耗尽电池需要在预处理模式下充电，然后才能开始完全充电。一旦电池达到标称状态，可以使用更高的充电电流来减少充电时间。这通常称为恒流模式。当电池几乎完全充电时，继续保持恒流模式可能是有害的。智能充电解决方案将切换到恒压模式以“充电”充电。由于电池的复杂性以及安全充电所需的逐案定制，如今大多数便携式设备都将专用的电池充电控制器集成到最终产品中。

BC1.2 的另一个优点是它规定为没电或弱电池充电。低于“弱电池阈值”的电池允许以高于 2.5mA 挂起电流的电流充电，无论端口类型如何。一旦电池达到标称水平，设备必须在特定时间范围内进行枚举，以保持来自需要枚举的USB端口的更高电流消耗。

并非所有端口都是一样的

BC1.2 概述了三种不同类型的 USB 端口和两个关键名称。“充电”端口是提供高于500mA电流的端口。“下游”端口根据 USB 2.0 发出数据信号。BC1.2 规范还确定了每个端口在终端设备上的显示方式，以及用于标识实现的端口类型的协议。三种 USB BC1.2 端口类型是 SDP、DCP 和 CDP（请参阅图 1）：

标准下行端口 （SDP）该端口在D+和D-线路上均具有15kΩ下拉电阻。电流限值是上面讨论的：挂起时为2.5mA，连接时为100mA，连接并配置为更高功率时为500mA。

专用充电端口 （DCP）此端口不支持任何数据传输，但能够提供超过 1.5A 的充电电流。它在 D+ 和 D- 线之间有一个短线。这种类型的端口允许具有高充电能力的壁式充电器和车载充电器，而无需枚举。

下游端口 （CDP） 该端口允许大电流充电和数据传输，完全符合USB 2.0标准。它具有D+和D-通信所需的15kΩ下拉电阻，并且还具有在充电器检测阶段切换的内部电路。此内部电路允许便携式设备将 CDP 与其他端口类型区分开来。

图1.USB BC 1.2 中概述的端口类型。

值得庆幸的是，DCP的电气仿真非常简单。D+和D-短接在一起（BC1.2规范规定它们之间的最大阻抗为200Ω），并且线路相对于地保持浮动。便携式设备只需用信号驱动D+或D-，并观察另一条线路的相同信号。事实上，用于端口识别的 BC1.2 过程正是这样做的。便携式设备应该在D+上设置电压并测量D-，然后在D-上设置电压并测量D +。通过如此简单的设置，带有USB连接器的壁式充电器应该非常容易设计！所要做的就是将连接器上的两个引脚短接，并将其添加到现有的壁式充电器中，该充电器能够在 5V 下提供 2A 电流。对吧？不完全是。

即使有BC1.2规范可用，一些电子制造商也会为其专用充电器开发定制协议。当您将他们的一个设备连接到完全兼容的 BC1.2 充电端口时，您可能仍会收到错误消息“此配件不支持充电”。尽管有此消息，但这些设备实际上可能仍在充电，但充电电流可能非常小。幸运的是，几乎所有这些专有的专用充电器都通过 D+ 和 D- 线路上设置的直流电平来识别自己，该电平由 5V 和地之间的电阻分压器组成（图 2）。

图2.来自各种制造商的专用充电端口。

幸运的是，有一种智能、廉价的解决方案可以为这些不同制造商的设备以及符合 BC1.2 的设备进行最佳充电。

端口检测是必须的

USB 充电器适配器仿真器

USB 充电器适配器仿真器是一种使专用充电器显示为 BC1.2 DCP 或其他专有充电器的设备。充电器适配器仿真器为壁式充电器提供动态元件，无需添加单独的控制单元来检测连接的设备类型。许多充电器适配器仿真器都可通过硬件配置为在不同的充电器识别配置文件之间进行选择。其他具有自动检测电路，可检测连接的便携式设备类型，并且可以在制造商的特定分压器或标准化的BC1.2 DCP模式之间切换。

为了方便地集成到壁式充电器中并使其有效，USB 充电器适配器仿真器必须外形小巧且外部组件数量少。例如，MAX14630/MAX14632为充电器适配器仿真器，可配置为自动检测USB BC1.2兼容器件、Apple 1.0A器件、Apple 2.1A器件或三星Galaxy Tablet 2A器件。这些 USB 适配器仿真器中的每一个都只需要一个旁路电容器，并采用 2.90mm × 1.60mm 封装。图 3 中的电路是单个专用充电器系统的快速实现，该系统与兼容 Apple 1A 和 USB BC1.2 的设备兼容。默认情况下，此适配器仿真器将电阻分压器连接到数据线，但可以根据 BC1.2 规范自动检测 USB BC1.2 器件以及短 D+ 和 D-。与 AC-DC 5V 电源配合使用，通过使用适配器仿真器传达适当的电流限制，可以为各种便携式设备进行最佳充电。®

图3.用于自动检测 USB BC1.2/Apple 1A 设备的 DCP 示例。该设计采用MAX14630/MAX14632 USB充电器适配器仿真器。

专用充电器是相对简单的生物。为下行端口充电增加了支持 USB 2.0 数据速率的复杂性，以及处理高达 1.5A 充电电流的能力。为了区别于专用充电器，CDP具有BC1.2中概述的内部电路，当它在端口检测阶段检测到驱动D+的便携式设备时，它能够将D-线驱动到特定电压。该内部电路只能在端口检测期间导通，并且只能在关断时在总线上贡献指定数量的寄生电容。这些限制由 USB 2.0 规范设定，该规范概述了保证高速 USB 通信的电路参数。

在端口检测阶段之后，符合 BC1.2 的 CDP 会断开上述内部电路的连接，现在可以进行正常的 USB 数据传输。有趣的是，CDP中出现了一个DCP不会出现的问题：数字噪声容限。根据USB 2.0，通过USB电缆的100mA接地电流会导致主机接地和设备接地之间产生25mV的差异。由于电流可能高达1.5A，因此符合BC1.2标准的CDP和便携式设备必须能够解析器件与主机之间最大接地失调为375mV的数据。从这些关键问题中得出的结论是，不能随意建立CDP。必须注意确保正常运行。

USB 主机适配器仿真器

USB 主机适配器仿真器结合了高速 USB 模拟开关，以处理 480Mbps 的完整 USB 2.0 流量和 USB 充电器适配器仿真器电路。除了 DCP 和专有充电器配置文件之外，还可以将主机适配器仿真器配置为 SDP 和 CDP 直通模式，如 BC1.2 中所述。在 CDP 直通模式下，设备在首次连接设备时模拟 CDP 功能。然后，为了支持正常的USB 2.0流量，它们在充电器检测阶段之后将D+和D-线路的控制权移交给USB主机收发器。

此类设备的可配置性使主机适配器仿真器特别适用于计算机。例如，当计算机连接到其电源时，它可以将其主机适配器仿真器配置为 CDP 来启用大电流 USB 充电端口。当耗尽笔记本电脑的电池电源时，计算机可以将适配器仿真器切换到标准 USB 端口配置，以将电流消耗限制为最大 500mA。通过将其适配器模拟器重新配置为专用充电器，笔记本电脑仍然可以在断电但插入电源时从其 USB 端口提供大电流充电。

主机适配器仿真器的一个重要注意事项是它们在重新配置时如何处理 USB 总线。不正确地从一种状态切换到另一种状态可能会导致下游 USB 设备出现故障。因此，通常包括总线复位或限流开关，以应对配置的变化。例如，除了支持SDP直通、CDP直通、DCP、Apple 2.1A和三星2A模式外，MAX14640、MAX14641、MAX14642、MAX14643和MAX14644器件发出总线复位，以确保下游器件了解主机的任何变化。 它们还具有自动限流开关控制输出，每当主机收发器通过 I 重新配置适配器仿真器时，该输出就会重置便携式设备2C 或进入待机状态。

前面提到的充电器和主机适配器仿真器设计为与单独的电源耦合，无论是来自墙上适配器还是计算机的电源。除了在家里和电脑附近，为USB设备充电的第三个最常见地方是汽车。车辆中最常见的辅助电源插座提供 12V 直流电，在特殊情况下提供 24V 直流电。但是，该电压在不同的工作环境中波动很大。考虑到电池电压随温度的变化，提供的实际电压可能低至9V或高达28V;它可能具有高达40V的临时浪涌。一些 USB 端口应用（如车载充电器和导航系统）需要符合汽车标准的 USB 充电器/主机适配器仿真器和坚固耐用的 DC-DC 转换器，以产生 USB 电源所需的 5V。

使用适配器仿真器具有额外的优势，可以将主机 USB 收发器与潜在的 ESD 损坏、USB 线路短路或电池短路隔离开来。DC-DC 转换器需要保证在很宽的输入电压范围内正常工作。保护汽车电池的能力是一个关键特征，因此设计良好的转换器应包括可调节的限流电路。此外，汽车充电系统需要检测输出电流并将该诊断数据传输给控制单元，控制单元需要一个电流检测放大器。MAX16984是一类专门将DC-DC转换器、主机适配器仿真器电路、ESD保护和电流检测放大器集成到单个IC方案中的产品。MAX16984设计用于4.5V至28V输入，具有高达42V的抛负载瞬变保护。它具有对电阻反馈网络的内置支持，以监控V总线电压和高边电流检测放大器，用于监控流向所连接USB设备的电流。当然，它具有USB BC1.2兼容电路，支持高速（480Mbps）USB数据，并且可以模拟Apple 1A / 2.1A充电器。

图4.高度集成的DC-DC降压转换器，带有USB主机充电器适配器电路，采用MAX16984。

总结

USB BC1.2 标准于 2010 年定义，并立即用于关闭电源的便携式设备的电池充电。它还增加了为没电或弱电池充电的规定。它定义了三种不同类型的 USB 端口，每种端口都在此处描述。通过遵循 USB BC1.2 标准，USB 端口现在可以将其电源功能传达给 USB 供电的便携式设备。现在可以安全地为各种便携式设备进行电池充电。最后，USB适配器仿真器的开发为USB端口的设计增加了重要的可配置性。

对于承诺充电的 USB 端口，新的充电器适配器仿真器增加了兼容的可插拔设备的数量。在动态应用中，例如对计算机内置 USB 端口的不同要求，主机适配器仿真器提供了简化的设计。在恶劣的汽车环境中，集成的DC-DC转换器和适配器仿真器可以管理波动的电压电平，降低成本并节省空间。

审核编辑：郭婷