USB电池充电修订版1.2概述和充电器检测器的重要作用

本应用笔记详细介绍了USB电池充电规范1.2以及充电器检测的作用。通过使用充电器检测IC，便携式设备上的USB连接器成为多功能组件。内置的 BC1.2 合规性使实施保持干净且易于使用。在设计紧凑的便携式产品时，充电器检测IC附带的丰富功能使其成为极具吸引力的集成电路。

USB 规范不断发展

除了咖啡的慷慨帮助之外，还有什么可以帮助行业缩短上市时间，降低成本，并将设计周期更多地集中在创新上？提示：标准化。通过定义协议和工作特性，标准影响了技术的各个方面：器件封装尺寸、引脚排列、数据和通信接口、软件驱动程序、连接器、ESD 额定值、环境合规性、测试夹具。这样的例子不胜枚举。规范越详细，开发人员就越有能力定义服务于市场的产品。如果对严格定义的标准的价值有任何疑问，请进入任何两家服装店并购买相同尺寸的衬衫。

最好的标准随着技术的发展而增长。标准考虑并反映行业日益增加的复杂性，同时保持对已经建立的做法的支持。USB端口是多功能标准的一个很好的例子。USB规范最初旨在标准化主机上的连接器，后来改进为允许“在旅途中”（USB OTG）电子设备充当主机或外围设备。随着USB电池充电规范的引入，该规范再次发展1以解释带有USB端口的手机和其他便携式设备的令人难以置信的繁荣。USB标准目前正在经历新的USB3.1规范和创新的对称Type-C连接器的另一种演变。因为他们有能力“跟上琼斯一家的步伐”，2现在，只要有收费设备，哪里都可以找到 USB 端口，这无处不在。

维护USB等强标准甚至会影响政府政策。2009年6月，欧盟委员会发布了一份备忘录，打算强制要求每台使用Micro-USB连接器并主要使用BC1.2的数据手机使用通用充电器。3作为回应，包括苹果、LG、三星和索尼爱立信在内的主要手机制造商签署了一份谅解备忘录（MoU）。4组织世界移动通信大会并跨越220多个国家的GSM协会也宣布了使用USB连接器标准化手机充电器连接的意图。5韩国电信技术协会和中国工业和信息化部都发布了手机充电标准化的技术要求。6甚至联合国内的一个专门机构国际电信联盟也发布了ITU-T L.1000，根据GSMA、欧盟和中国提案的要求，建议采用通用充电器。7随着USB2.0增加了更新的供电规定，2013年USB3.1的引入以及2014年新的Type-C连接器，标准连接器的采用将继续受到USB标准的严重影响。

BC1.2 中的充电器检测和端口

为什么标准委员会和管理机构选择围绕 USB 连接器和 BC1.2 中概述的协议进行标准化？建立通用标准可在使用 USB 的任何设备之间实现互操作性、最佳性能和安全性。该规范定义了任何端口可以提供多少功率，以及便携式设备检测可以消耗多少功率的智能方法。因此，任何便携式设备制造商都可以将其产品设计为与尽可能多的USB端口兼容。制造商将知道如何最好地利用每个USB端口，并可以预测USB端口将施加的电压和电流。有了这些知识，他们就可以在没有电气过应力风险的情况下进行设计。最后，设备可以使用的充电电流不断增加，大大减少了所需的总充电时间。因此，充电器检测是一项重要功能，应内置于所有包含USB端口的可充电设备中。

在讨论充电器检测协议之前，了解可用USB端口之间的差异非常重要。下行端口支持USB2.0通信，充电端口可提供大于500mA的电流。BC1.2 概述了三种不同的端口类型：标准下行端口 （SDP）、专用充电端口 （DCP） 和充电下行端口 （CDP）。

将SDP视为经典的USB端口。除USB通信外，它还在连接时为外围设备提供100mA电流;100mA可协商至500mA。虽然大多数端口通常不强制实施此电流限制，但不能保证更高的电流。DCP不支持USB通信，但可以提供超过500mA的充电电流，而无需任何协商。CDP 同时支持 USB 通信和大电流充电;它具有在充电器检测阶段打开的内部电路。除了规范中概述的USB端口类型外，一些电子产品制造商还构建了专有的充电器识别方案。这些不同的方案增加了另一层不容忽视的充电器检测技术。

充电器检测过程

BC1.2 中概述的充电器检测阶段有五个基本步骤。

V总线检波为了确保连接到USB端口的任何潜在设备的正确排序，V总线连接器上的 GND 引脚故意比 D+ 和 D- 引脚更长。这确保了他们首先进行接触（见图1）。因此，在进行任何检测之前，设备必须首先检测到 V总线存在。

数据接触检测 （DCD）一旦电压对V进行总线有效时，便携式设备必须确保数据引脚也接触，然后才能进行任何检测。如果终端设备在数据引脚接触之前做出过早的决定，则终端设备可能会错误地识别存在的充电器。 要执行DCD，外设必须在D+上启用7μA至13μA电流源（参考+3.3V）并监视其电压。选择此电流范围是为了在规范允许的所有电压和电阻容差范围内保持适当的逻辑电平。如果D+开路，则电压将为逻辑高电平。如果关闭，无论端口类型如何，D+ 都将读取逻辑低电平。如果在 0.9 秒超时周期后未检测到数据引脚接触，则终端设备假定存在 SDP。

主充电器检测在此步骤中，终端设备区分 > 个支持 500mA 的端口，带有充电标签（CDP 和 DCP），来自 < 500mA 端口类型 （SDP）。从DCD相位禁用电流源后，终端器件必须在D+上启用0.5V至0.7V电压源，在D-上启用25μA至175μA吸电流。如果存在DCP或CDP，则0.5V至0.7V电平将出现在D-上。如果存在SDP，D-上的电压将降至零。终端器件在比较器中切换，比较D至0.25V至0.4V。如果D电压高于0.4V但小于0.8V的逻辑低门限，则终端器件断定存在充电端口。

二次充电器检测在关闭上一步的电压源和吸电流后，终端设备需要将CDP与DCP区分开来。为此，它会反向执行前面的测试。因此，0.5V至0.7V电压源在D-上使能，50μA电流吸收在D+上使能。如果存在DCP，0.5V至0.7V测试电压将出现在D+上。如果存在CDP，则D+上的电压将为零。

CDP 充电电流限制由于CDP同时支持数据和大电流充电，因此必须进行最后的区分。由于USB电缆中的电流很大，主机接地和设备接地只能承受375mV的接地偏移。

图2.BC1.2 充电器检测程序摘要。

虽然不符合 BC1.2 标准的充电器因制造商而异，但许多这些专有充电器通过 V 之间的电阻分压器设置的电压电平来识别自己到终端设备总线和地面。根据充电器检测电路所需的覆盖水平，可以添加检测电路来检测D+和D-上的电压电平，从而识别不同的制造商特定的充电器。

充电器检测技术

USB 充电器检测 IC 是实现与 BC1.2 充电器检测相关的许多功能和复杂性的单芯片。诚然，可以离散地实现检测方案。但是，分立式系统成功运行的元件数量、电路板空间和时间将急剧增加。

添加专用充电器检测芯片需要一些额外的电路板空间，因此制造商通常会将其他必要或理想的功能组合到同一封装中。因此，充电器检测IC高度集成了无数附加功能，例如用于USB或UART/音频操作的内置开关，串行控制接口，过压保护（OVP），USB OTG支持，Li+电池充电功能，甚至执行USB枚举的能力。

如果设计人员希望充电器检测器能够以最少的额外元件数量和电路板空间将其放入现有设计中，则需要MAX14576/MAX14636/MAX14637系列器件。此类充电器检测器直接由USB V供电总线线，因此无需添加额外的电源。它们具有内部单刀单掷开关，在执行充电器检测时打开，在启用 USB 数据通信时关闭。每个器件都有一个漏极开路 I/O，用于指示是否允许充电以及数据切换的状态。除了符合 BC1.2 标准的端口检测外，某些充电器检测器版本还具有内置的 Apple 充电器检测功能。图3显示了处理检测协议的示例检测电路。所需的主处理器资源更少，无需对现有设计进行重大修改。®

图3.MAX14636充电器检测器框图

在过去的几年里，智能手机风靡全球。推动这种时尚技术的主要力量之一是外形尺寸。随着功能列表的不断增加，而整体尺寸正在缩小，必须实施仔细的规划和集成解决方案，以实现目标缩小规格。以使用单个连接器充电的手机为例;连接到电脑;连接到外部配件;或音频播放。为了紧凑地完成所有这些任务，系统设计人员可以选择使用充电器检测IC，如MAX14656（图4）。

图4.使用MAX14656充电器检测器的智能手机应用

这种通用充电器检测电路可自动区分不同的 BC1.2 兼容端口，并支持检测大多数 Apple 专有充电器（例如 500mA、1A、2.1A）。该器件还集成了 DPDT 开关，允许 D+ 和 D- 线由高速 USB 收发器、音频输出甚至内部 UART 共享。使用 I2C 接口，嵌入式处理器读取是否已连接充电器，并将内部开关配置为适当的模式。当您考虑 V 上的内置 OVP 时总线引脚、数据线上的ESD保护以及1.65mm x 1.65mm的基底面，这款单充电器检测器在单个连接器中增加了相当大的多功能性，适用于空间受限的设计。

便携式电子设备的承诺

充电器检测技术之所以如此通用，是因为基本的充电器检测器功能可以与各种其他功能相结合，为便携式电子产品制造商提供高度集成的电路。其他解决方案将充电器检测与Li+电池充电控制结合在一个封装中。有些将充电器检测与 USB 自枚举相结合。当今最新的充电器检测器芯片根据BC1.2自主监控电池充电周期，而不是要求嵌入式处理器手动调整规范中定义的时间段内消耗的总电流。

当您结合充电器检测和电池充电功能时，您可以进行智能电池开关控制。当有充电器时，该技术会自动从电池电源切换到充电器电源。因此，一些充电器检测器芯片既可以为电池充电，又可以提供满载电流。这样做的设备还支持热电流调节，可防止同时为电池充电并向负载提供电流而导致的危险高温。通过集成充电器检测和电池充电，系统设计人员可以更多地关注最终应用，而不必担心充电问题。

同时，USB BC1.2 规范通过提供制造商可以依赖的标准，继续推动电子行业的发展。目前可用的大量符合 BC1.2 标准的充电器预计只会成倍增加。仅这一事实就使将USB连接器集成到便携式设备中成为一个有吸引力的选择。通过使用充电器检测IC，便携式设备上的USB连接器成为多功能组件。内置的 BC1.2 合规性使实施保持干净且易于使用。无论是设计紧凑便携的产品，充电器检测IC附带的丰富功能使其成为极具吸引力的集成电路。

审核编辑：郭婷