USB电池充电规范1.2版概述及适配器仿真器的重要性

　　引言

　　无论您身处何处，环顾四周时，很可能会看到有人正在使用便携式设备。无论是在家里、车上还是插入到计算机，USB供电的便携设备均需要采用智能方法确定正常工作以及充电所需的合适功率。由于便携设备种类繁多、USB端口千差万别以及可充电电池的特性复杂，2010年颁布的USB电池充电规范1.2版 （简称为BC1.2） 成为建立通过USB端口为电池充电的正确方式的关键标准。但是，即使有了BC1.2规范，有些便携设备制造商仍然采用专有的充电器，使得USB电池充电领域更为复杂。

　　本文讨论USB电池充电最新行业标准的推动力及其定义的技术规范，也给出了实现对各种专有便携充电设备进行大电流充电的USB端口的简单策略。

　　电池充电标准的迫切性——BC1.2规范颁布之前

　　USB得到广泛普及是因为其能够为外围设备供电。USB孕育于上世纪90年代中期，最初的目的是将外部设备（例如键盘、鼠标、打印机、外置驱动器等）连接至计算机。随着越来越多的各种便携式设备受到青睐，也同样需要为其供电。利用数据传输连接器供电的能力使得USB在便携式市场具有直接而显著的优势。

　　在2007年第一个电池充电规范颁布之前，尝试为电池充电本质上是一种冒险——结果非常难以预测。当2000年出现USB 2.0时，外设默认吸收100mA电流，除非明确协商将电流增大至最高500mA。如果总线上经过一段延迟后没有数据活动，总线将进入“挂起”模式，将允许吸收电流限制到2.5mA。如果便携设备的电池完全耗尽，尝试利用标准端口进行充电时，则只能可靠吸收2.5mA电流！

　　实际上，许多电子设备制造商并不严格遵守USB 2.0规范，在其提供的USB端口中不采用这些电流限值。有些（大多数）USB端口无论枚举还是持续活动都允许100mA电流；有些端口甚至提供500mA电流，而不考虑必要的功率协商。有些便携设备的应用要求超过100mA的电流，并错误假设USB端口总是能够提供500mA电流。

　　好的充电方案必须知道如何通知便携设备从USB端口吸收多少电流是安全的。虽然合乎逻辑，但之前模棱两可的USB“事态”存在一个主要问题——如果吸收电流超过预期，USB端口将如何响应？有些端口将完全关断，并一直保持关断状态，直到外设拔出后再重新插入；有些端口将触发USB系统复位，重新启动枚举过程。

　　BC1.2规范的推出

　　电池充电并不是USB的原始特性，因此，在BC1.2颁布之前，官方并未就为关断设备的电池充电做出任何规定。通过建立清晰的USB端口供电能力沟通方法，BC1.2规范改进了其中许多问题。

　　无论可充电电池使用的材料如何，均需在工作和充电期间予以特别考虑。例如，Li+电池制造商有时候规定最低放电水平；超过该门限的深度放电电池需要首先在预处理模式下进行充电，然后再开始完全充电。电池达到标称条件后，即可采用较高电流，以缩短充电时间，这通常称为恒流模式。当电池几乎充满时，继续采用恒流模式可能有害。智能充电方案将切换至恒压模式，对电池进行“浮充”。由于电池的特性复杂，为实现可靠充电，必须采用定制，现在大多数便携设备在最终产品中包括专用的电池充电控制器。

　　BC1.2规范的一项附加优势是规定了对耗尽电池或弱电池的充电。低于“弱电池门限”的电池允许采用高于2.5mA挂起电流的电流进行充电，与端口类型无关。一旦电池达到标称水平，要求设备在特定的时间内进行枚举，以便保持从要求枚举的USB端口吸收较高的电流。

　　并非所有端口都完全相同

　　BC1.2规范简要规定了三种不同类型的USB端口和两种关键对象。“充电”端口是可提供500mA以上电流的端口；“下行”端口按照USB 2.0规范传输数据。BC1.2规范也确定了每个端口应如何向终端设备枚举，以及识别应用端口类型的协议。三种USB BC1.2端口类型为SDP、DCP和CDP （见图1）：

　　1. 标准下行端口（SDP）。这种端口的D+和D-线上具有15kΩ下拉电阻。限流值如上讨论：挂起时为2.5mA，连接时为100mA，连接并配置为较高功率时为500mA。

　　2. 专用充电端口（DCP）。这种端口不支持任何数据传输，但能够提供1.5A以上的电流。端口的D+和D-线之间短路。这种类型的端口支持较高充电能力的墙上充电器和车载充电器，无需枚举。

　　3. 充电下行端口（CDP）。这种端口既支持大电流充电，也支持完全兼容USB 2.0的数据传输。端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉电阻，也具有充电器检测阶段切换的内部电路。内部电路允许便携设备将CDP与其它类型端口区分开来。

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　　图1. USB BC 1.2规定的端口类型。

　　非常幸运，DCP在电气上实现模拟非常简单。D+和D-短路在一起（BC1.2规范规定两者之间的最大阻抗为200Ω），线路相对于地保持浮空。便携设备识别DCP时只需利用信号驱动D+或D-，然后在另一根线上检测相同信号。实际上，BC1.2规范的端口识别程序就是这么做的。假设便携设备在D+上设定一个电压并测量D-，然后在D-上设定一个电压并测量D+。有了这么简单的设置，就很容易设计带有USB连接器的墙上充电器。设计者只需将连接器上的两个引脚短路，然后将其添加到能够提供2A、5V电源的现有墙上充电器。真是这样吗？不尽然。

　　即使有BC1.2规范可循，有些电子设备制造商仍然为其专用充电器开发定制协议。当您将这样的设备连接至完全符合BC1.2规范的充电端口时，可能仍然会产生报错消息：“Charging is not supported with this accessory.”（不支持该附件充电）。尽管出现该报错消息，此类设备实际可能仍然进行充电，但充电电流极其小。幸运的是，几乎所有此类专有充电器利用5V和地之间的电阻分压器设定D+和D-线上的直流电平，从而识别本身（图2）。

　　图2. 不同制造商的专用充电端口。

　　又非常幸运的是，有一种智能、低成本方案可对这些制造商的设备以及符合BC1.2规范的设备进行最佳充电。

　　端口检测是必需的

　　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表现为BC1.2 DCP或其他专有充电器的器件。充电器适配器仿真器为墙上充电器提供动态元件，无需增加分立的控制单元，即可检测所连设备的类型。许多充电器适配器仿真器可利用硬件配置，选择不同的充电器识别特性；其它仿真器具有自动检测电路，检测所连接便携设备的类型，可在制造商的特定分压器和BC1.2 DCP模式之前进行切换。

　　为了方便、有效地集成至墙上充电器，USB充电器适配器仿真器的尺寸必须很小，外部元件数量必须很少。例如，MAX14630/MAX14632充电器适配器仿真器可配置为自动检测USB BC1.2兼容设备、Apple 1.0A设备、2.1A设备或Samsung® Galaxy Tablet 2A设备。其中每种USB适配器仿真器只需一个旁路电容，采用2.90mm x 1.60mm封装。图3所示的电路是兼容Apple 1A和USB BC1.2兼容设备的单个专用充电器的快速实现。该适配器模拟器默认将电阻分压器连接至数据线，但能够按照BC1.2自动检测USB BC1.2设备并将D+和D-短路在一起。配合交流转直流5V电源使用时，利用适配器仿真器协商正确的限流值，能够对各种便携设备进行最佳充电。

　　图3. 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。

　　专用充电器相对简单；充电下行端口支持USB 2.0数据率以及处理高达1.5A充电电流，增加了复杂度。为了有别于专用充电器，CDP具有BC1.2规范规定的内部电路；在端口检测阶段，当检测到便携设备驱动D+时，内部电路能够将D-驱动为规定电压。内部电路只能在端口检测期间切换，并且在关断时只能在总线上产生规定大小的寄生电容。这些限值由USB 2.0规范规定，该规范规定保证高速USB通信的电路参数。

　　端口检测阶段之后，兼容BC1.2规范的CDP断开以上所述的内部电路，即可进行正常的USB数据传输。有趣的是，有一个问题是CDP中存在而DCP中所没有的：数字噪声裕量。根据USB 2.0规范，USB电缆中的100mA接地电流会在主机地和设备地之间产生25mV的电压差。由于电流可高达1.5A，所以CDP及兼容BC1.2规范的便携设备必须能够解析设备与主机地失调最大达375mV的数据。这些关键问题的重点是设计者不能随意搭建CDP，必须谨慎确保正常工作。

　　USB主机适配器仿真器

　　USB主机适配器仿真器组合了高速USB模拟开关（能处理高达480Mbps的USB 2.0数据）和USB充电器适配器仿真器电路。除DCP和专有充电器特性外，主机适配器仿真器可配置为SDP和CDP直通模式，符合BC1.2规范规定。CDP直通模式下，首次连接设备时，设备模拟CDP功能。然后，为了支持正常的USB 2.0通信，经过充电器检测阶段后，将D+和D-线的控制交给USB主机收发器。

　　此类设备的可配置性使得主机适配器仿真器尤其适合于计算机。例如，当计算机连接至电源时，可通过将主机适配器仿真器配置为CDP，使能高电流USB充电端口。当使用笔记本电脑的电池电源工作时，计算机可将适配器仿真器切换至标准USB端口配置，将电流吸收限制到最大500mA。通过将适配器仿真器重新配置为专用充电器，当笔记本关闭但仍连接有电源时，笔记本电脑仍然可通过其USB端口提供高电流充电。

　　关于主机适配器仿真器的一项重要考虑是重新配置时如何处理USB总线。错误地从某种状态切换至另一种状态会造成下行USB设备故障。所以，往往包括总线复位或限流开关，以应对配置变化。例如，除支持SDP直通、CDP直通、DCP、Apple 2.1A及Samsung 2A模式外，MAX14640–MAXA14644器件触发总线复位，以确保下行设备检测到主机的任何变化。器件也具有自动限流开关控制输出，当主机收发器通过I2C重新配置适配器或进入待机状态时对便携式设备复位。

　　充电器和以上所述的主机适配器设计用于配合分立电源工作，包括墙上适配器或计算机的电源。除家中或计算机附近外，第三个最常见为USB设备充电的场所是车上。汽车中最常见的辅助电源插座提供12V直流，特殊情况下有24V直流。然而，不同工作环境下，该电压波动范围很大。鉴于电池电压随温度变化，提供的实际电压可能低至9V或高达28V；可能存在高达40V的暂态浪涌。有些USB端口应用，例如车载充电器和导航系统，要求汽车级USB充电器/主机适配器仿真器，以及可靠的直流/直流转换器，以产生USB电源所必需的5V电压。

　　使用适配器仿真器具有一项附加优势：使USB收发器避免潜在ESD损害、USB线短路或电池短路。DC/DC转换器需要保证在较宽输入电压范围内正确工作。保护汽车电池的能力是一项关键特性，所以设计良好的转换器应包括可调节限流电路。此外，车载充电系统需要检测输出电流并将诊断数据送至控制单元，这就需要电流检测放大器。MAX16984是同类产品中的代表，在单片IC中集成了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。MAX16984设计工作在4.5V至28V输入，具有高达42V的抛负载瞬态保护。器件内置电阻反馈网络（监测VBUS电压）和高边电流检测电流放大器（监测流入所连USB设备的电流）。当然，器件具有USB BC1.2兼容电路，支持高速（480Mbps） USB数据，并且可仿真Apple 1A/2.1A充电器。

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

　　总结

　　USB BC1.2标准颁布于2010年，可直接为关闭的便携式设备电池充电。规范也增加了对耗尽电池或弱电池的支持。规范定义了三种明确的USB端口类型，本文对每种类型进行了介绍。遵循USB BC1.2标准，USB端口现在能够与USB供电便携设备协商其供电能力。现在可对各种便携式设备安全充电。最后，USB适配器仿真器的开发为USB端口的设计增加了卓越的可配置性。

　　对于专用于充电的USB端口，新充电器适配器仿真器增加了兼容可插入设备的数量。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。在恶劣的汽车环境下，集成DC/DC转换器和适配器仿真器可管理波动的电压、削减成本以及节省空间。

——本文选自电子发烧友网3月《电源技术特刊》“透视新设计”栏目，转载请注明出处，违者必究！