为便携式设备可靠供电开发拓宽USB功能

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1、引 言

通用序列总线USB2.0作为一种新的PC机互连协议，使外接设备到计算机的连接更加高效、便利。这种接口适合于多种设备,不仅具有快速、即扦即用、支持热扦拨的特点还能同时连接127个设备,解决了如资源件冲突、中断请求和直接数据通道等问题., 为使用者提供更好的效能。但随着各类数字化便携式设备及其内核电源品种的增多,这就要需要进一步开发并拓宽USB接口的电源功能以保证各类便携式设备的正常可靠运行.这是为什么呢?

* 多种内核电源的需要

众所周知,当今许多数字化便携式设备(如数码相机、 MP3播放器和PDA)中数字信号处理均是采用DSP芯片, 该DSP芯片采用单5V电源供电,但也有的采用3.3V和1.8V电源供电,其中DSP芯片的核电压采用1.8V电源供电,而I/O采用3.3V电源供电.据此再在这些便携式设备上再增加电源设备是不现实的.

* 便携设备的数据交换

因为许多便携设备，如MP3播放机、PDA等，都需要与PC机进行数据交换，如果在与PC杌进行数据交换的同时，能够利用同一根电缆对电池充电，会极大地方便没备的使用。若将USB接口的电源功能与具有对电池充电功能结合,则能够使大量设备免受电源线的束缚，如可移动网络照相机,无论是否与PC相连都可以工作。在许多情况下，都不再需要那些一直使用而伴随的又笨拙的交流适配器。由此可见开发USB接口电源(以下简称USB电源)应解决二大问题,第一是从USB端口获得5V与3.3V、1.8V电源;第二是通过USB电源为电池充电.

由于USB接口除了具有直接对与USB相连设备供电功能之外，USB接口电源最有用的功能之一就是能对电池充电。那末这些功能从何而来?为此应首先对USB接口的电源(以下简称USB电源)功能的技术支持作一介绍.

2、开发拓宽USB电源功能的技术支持

USB的集线器控制器功能和外围设备功能是开发出USB电源功能的技术支持。

那么USB的集线器控制器功能和外围设备功能是什么?或者说具备这二大功能的技术依据又是什么?

2.1 USB集线器功能

(1)先述何谓集线器.在USB网络中有三个主要建构模块.首先个人计算机里有一块主控端(Host). “主控端”的功能就如同其名称所指的，主要负责通讯方面要求、接受以及将服务信息输入输出至计算机.因此主控端负责处理网络”汇集”时的大部分细节工作.而在网络的另外一端则称为:”装置”(Device),就是计算机外设设备;另外，在主控端与装置之间则可能会有“集线器”(Hub)。这些看似简单的单元，可提供四个(或七个)插槽给装置使用，而且仅需依靠计算机的一条缆线。集线器负责引进新的“访客”(Guest)装置给主控端，同时负责确保所有主控端与装置之间的信息以最高速度进行交换.

由此可见USB集线器功能是负责管理端口的连接/拆断操作，包括集线器配置、下行端口设备的检测(不管端口是处于暂停模式还是恢复模式)、端口的各种状态，以及总线故障和重新配置、电源管理和速度检测支持。

而集线器控制器上的端口数决定能够管理的下行设备的数量。可供用户选择的产品包括二端口型、二或三端口型、四端口型、一至五端口型和七端口型 。

(2)USB集线器分类.

* 自带电源USB集线器采用本机电源来为下行端口供电。然而，USB接口被允许从其上行端口吸收100mA电流，该电流可被用来保持USB接口的功能，而集线器的剩余部分被断电。自带电源USB集线器被要求对过流状态加以限制和通告，且必须为每个下行端口提供至少500mA的电流。

* 总线驱动USB集线器由上行连接获得所有的功率，并被要求向每个下行端口提供100mA的电流。出于配置方面的考虑，USB规范将总线驱动USB集线器总线在上电过程中从总线吸收的电流限制为100mA(或更低)。此后，总线驱动USB集线器被允许消耗500mA电流，分别向每个下行端口提供100mA电流，剩余的电流供集线器自身使用。由于自供电型集线器有可能因电源拆断或电池耗尽而出现本机功率损耗，所以，总线控制器可强制将其自身作为总线驱动USB集线器来重新计算，因而要求它在所有的外部端口上执行端口功率转接。

2.2 USB外设功能

USB外设控制器,它实现外设与主机或集线器的USB连接。与集线器或主机不同，USB外设并不支持下行功能，但的确拥有必须符合USB规格要求的面向上行的端口。USB外设可分为以下几类：

(1)低功耗、总线驱动USB功能，它从上行总线获得全部功率，并将消耗电流限制为100mA;

(2)高功率总线驱动USB功能，它从上行总线获得全部功率，并将配置期间的消耗电流限制为100mA(最大值)。在计算之后，它可以吸收高达500mA的电流;

(3)自带电源USB集线器功能，从电源(而不是上行总线)获得功率。它被允许从上行总线吸收高达100mA电流，但并不是必要的。

USB外设的插座分两种，都比PC机和普通USB主机的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如图1所示，B系列由引脚1(+5V)和引脚4(GND)供电，Mini-B系列由引脚1(+5V)和引脚5(GND)供电。

又因所开发的USB电源为电池充电的功能可能很复杂，也可能很简单，这取决于与USB接口相连设备的要求。影响设计的因素不仅包括通常的成本、尺寸、重量等.还有以下重要因素:当电池已耗尽的负载设备插入USB端口时，要求多快开始全功能运行;允许电池充电的时间;在USB功率限制范围内的功率分配;是否需要一个交流适配器充电。这些问题和相应要解决的方案将会在讨论USB的功率问题后进行研究.为此,在技术支持中还应对USB功率问题应进一步说明

2.3关于USB功率

所有USB接口的主机，如PC机和笔记本电脑，每个USB插孔都能支持最少500mA电流输出或驱动5个“单位负载”。在USB术语中，“一个单位负载”是100mA。自带电源USB集线器也能驱动5个单位负载。总线驱动USB集线器只能保证驱动一个单位负载。按照USB规范，由USB接口的主机或自带电源USB集线器提供的，电缆外设端的最小可用电压为4.5V，而由总线驱动USB集线器提供的最小电压为4.35V。用这些电压对典型电池电压要求为4.2V的Li+电池充电时，只有很小的裕度，从而使得充电器的压降变得极为重要。

应该说所有接人USB端口的设备启动时消耗电流都不能超过100mA。与主机进行通信后,设备才能决定是否可以用足500mA电流。

USB外设的插座分两种，都比PC机和普通USB主机的插座小。“B系列”和更小的“Mini—B系列”插座如图1所示，B系列由引脚1(+5V)和引脚4(GND)供电，Mini-B系列由引脚1(+5V)和引脚5(GND)供电。

一旦与主机连接，所有与USB接口相连的设备都必须首先让主机识别自己。这一动作被称为枚举。在识别过程中，主机决定接受或拒绝USB设备的功率要求，如果接受，可以将设备的电流从最大100mA增加到最大500mA。

3、从USB端口提供3.3V和5V电源

由于USB端口是当今新型热扦拔式接口，除了丰富的接口功能外, 还能提供二种电源,其一、由低功率USB端口提供的电源为4.4V-5.25V、电流为100MA,.其二、由高功率USB端口提供的电源力4.75V至5.25V 、电流为500MA,而便携式设备均采用USB端口作为接口,所以应用USB端口和芯片结合从而可产生3.3V和5V电源.以满足便携式设备中DSP芯片的需要,为此对设计方案作一下介绍.

(1)通用串行总线(USB)端口除了通信通道D+与D-(见图2左面USB端口所示引脚)外,还能够提供电源。当便携式设备(如数码相机、 MP3播放器和PDA等)用电池供电并连接至USB口进行通信时，就可以采用USB电源对Li+电池充电。

图2所示,就是利用了USB电源，产生3.3V和5V电源的电路图，并为Li+电池充电.其 IC1芯片 MAX1811为Li+电池的充电器.采用USB端口电源给电池充电时, 对于低功率USB端口,应将IC1芯片的SETI端拉低，其充电电流设定为100mA;对于高功率的USB端口,应将IC1芯片的SETI置高, 充电电流应设定为500MA.类似，将SELV置高或置低，则IC1芯片被配置为Li+电池充电至4.2V或4.1V，IC1的最终充电电达到了0.5%精度。CHG端允许芯片在充电期间点亮LED.

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(2)图3所示, IC2是一款升压型DC-DC转换器，IC2芯片 MAX1797可将电池电压Vbatt升压至5V(Vout).并且Vout能够向负载输出的450MA电流。

其低电池检测电路和真正的关断能力将保护Li+电池不被过放电。通过断开电池和输出来实现，这种“真正”的关断功能将电池降低至2uA。低电池电压门限(LB1引脚电平)由Vbatt和GND之间的外部电阻分压器R3与R4(分压器的中点连接至LBI引脚)来设定。将低电池电压输出引脚LBO 连接至关断引脚SHDN。则在低电池电压条件下，导致IC2与负载断开。

当低电池检测电路将路能低电压电池与负载断开时，Li+电池的内阻将使IC2容易形成振荡。这是因为当电池内阻引起的压降消失后，电池电压将增加，使IC2再次打开,例如0.5Ω内阻的Li+电池在源出500MA的电流时，在其内阻上将产生250MV的压降。当IC2电路断开负载时，电池电流将降为0，电池电压会升高250MV。为此，通过低电池在检测电路引入滞回，LBO端的N沟道FETMOS管将消除这种振荡。

图3电路的低电池门限电压设置为2.9V。当Vbatt降至2.9V以下时，LBO打开(电平提高)，将SHDN拉高，FETMOS管导通，在FETMOS管导通的情况下，电阻R5(1.3MΩ)和R4(249KΩ)组成并联电路，将电池的开通电压门限(引脚LB1)提升至3.3V，从而消除了振荡。

(3)图4所示,IC3 芯片MAX1837 为DC-DC降压型转换器,能将5V输出降压至3.3V,并且能够向负载输出高达250MA的电流，效率超过90%。

从以上图2、3、4 可以看出,在通过USB端口提供电源时，与各芯片MAX1811 MAX1797 MAX1837配合就能为便携式设备产生5V初3.3V的电源。

需要说明的是USB电源:

* 由于USB电缆和连接器上的电压降，USB设备必须能够工作至4.35V

* USB设备必须保证其最大工作电流低于100MA，直到通过软件被配置为高功率为止。

4、简单的USB电源和交流适配器的充电配置

4.1 配置方案

对一些最基本的设备负载来说,不需要用软件开销来管理和优化USB电源的使用。如果设备负载电流限制在100mA以内，那末都可以用与USB接口相连的主机和自带电源的集线器或总线驱动的集线器来驱动。据此,这类简单的USB和交流适配器充电设计，可采用图5所示的一个基本充电器加一个稳压器的配置。

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4.2 方案分析

图5所示电路中，设备(系统)负载何时与USB电源或交流适配器连接? USB电源和交流适配器何时开始对电池充电?同时,又要你保证系统负载能一直保持与电池相连，在此例中通过一个最大可提供200mA电流的简单的线性稳压器(IC2 MAX8881)来解决。如果系统持续消耗如此大的电流，而通过USB对电池充电电流只是100mA，最终电池还是会因负载电流大于充电电流而放电。在许多小型系统中，负载峰值电流仅在整个工作期间的部分时段发生。因此，只要平均负载电流小于充电电流，电池仍然会被充电。连接交流适配器时，充电器(IC1)的最大电流上升到350mA。如果USB与交流适配器同时连接，但应自动给予交流适配器优先权。

USB规范要求充电器(IC1)具备的一个特性(而且，一般来讲对于充电器也是有利的)是电流不允许从电池或另一个电源回流到USB电源输入端。在传统的充电器中，可通过输人二极管保证，但USB最小电压为4.35V(由USB功率简述得知)与Li+电池充电所需电压(4.2V)之间差异太小，以致肖特基二极管也不适用。因此，所有回流路径应在IC1的内部被阻止。

图5所示电路在应用上受到一些限制，也许不适用于某些可充电的USB设备。最明显的限制是相对较低的充电电流，如果Li+电池的容量大于几百毫安时(mAH)，充电时间就会很长。第二个限制是由于基本充电器的负载(指线性稳压器的输入)总是与电池相连(即图5中Li+电池与MAX8881的IN端相连)。这样,如果电池已深度放电，则负载设备加电时也许不能立即开始工作。这是因为电池达到负载设备工作所需的电压前有一定的延迟时间。

5、改进技术: 充电器充电电流和外围电路的改进.

在更先进的系统中，需要对充电器内部和外围电路进行多处改进，这些改进可能包括：可选的充电电流，以便与USB电源或交流适配器或电池的电流能力相匹配;USB电源接人时的负载切换;以及过压保护。

5.1 改进技术方案(见图6所示的电).

在图6所示的电路中，就是利用充电器IC1内部的电压监测器(充电控制器)驱动外部MOSFET Q3(FDN302)来实现了上述的改进功能。

5.2 改进技术的实现

MOSFET Q1(FDN302)和Q2(FDN302)以及二极管D1和D2绕过电池，直接将可用的电源(USB电源输入或DC电源输入-交流适配器转换而成)连接到负载。当某个电源(USB或DC电源输入)输人有效时，其监视输出　变低，相应的MOSFET管导通。当两个输入都有效时，DC输入优先使用。IC1可防止两个输人同时被使用。二极管D1和D2用来阻断系统负载供电通路与输入之间的反向电流。而充电器内部电路((由充电控制器及其控制的和二只场MOS管)可以阻断充电通路(BATT)的反向电流。

MOSFET Q2还可提供交流适配器过压保护，保护电压最高达18V。欠压/过压监视器(在DC端)只允许交流适配器电压在4V至6.25V之间时对电池充电。

最后一个MOSFET Q3，在没有有效的外部电源(即USB电源输入或DC电源输入)接人时导通，用电池向负载设备供电。当USB电源或DC电源任何一个接人时，“电源通”(PON)输出立即关闭Q3，将电池与负载设备断开。这样当有外部电源接人时，即使电池深度放电或已损坏，系统仍能立即开始工作。

5.3 完善与实用

一旦USB设备与主机连接时，先与主机通信决定负载电流是否可以增加，如果被允许，负载电流可以从开始时的一个单位负载上升到五个单位负载。5比1的电流范围对不是专为USB设计的传统充电器来说可能会有问题。而其问题在于传统充电器的电流精度，尽管在高电流时精度足够，但在低电流时会受到电流传感电路失调的影响。结果可能是为了保证充电电流在低端(一个单位负载)不超过100mA限制，电流必须被设置在非常低的水平，从而导致无法使用。例如，对于精度为10%的500mA电流，为了保证不超过500mA，输出只能设置为450mA。仅就这一点而言还是可以接受的，但是，为了保证在低端的充电电流不超过100mA，平均电流只能设置成50mA。最低值可能会低至OmA，显然这是无法接受的。如果要求USB充电在两个范围内都有效，就需要有足够的精度，以便提供尽可能大的充电电流，同时又不超越USB的限制。

在一些设计中，由于系统功率需求的关系，不可能用低于500mA的USB预算功率分别对负载供电和对电池充电。但是，使用了交流适配器就没有问题。

* 一个高性价比的方案的出现

用一个高性价比的方案可满足这一需求,即只需将图6电路作一简化:将图6电路中与系统负载相连的Q1、D1及连线去掉,这样USB电源并不直接与负载连接,仅与MAX1874的USB引脚相连;从MAX1874的BATT引脚再通过二极管D(MBR0520L)与系统负载相连;充电和系统运行仍然使用USB电源，但系统保持与电池连接。此设计的局限性与图5所示电路相同,即如果USB接人时电池已深度放电，系统要经过一定延迟才能正常工作。但如果连接DC电源，该方案电路能够以同图6电路一样的方式工作，无论电池状态如何都不需等待。这是因为与MAX1874 “电源”通”引脚(PON)相连接的MOSFET 管Q(类似图6中的MOSFET Q3)被关断，系统负载由电池切换到了通过二极管D(类似图6中的D2)DC输人上。

* 这样一个简化又完善与实用的设计方案出现,使USB电源并不与负载相连,但DC输入与负载相连.当连接USB电源时,系统仍然采用电池供电.同时电池又被充电.

6、镍氢电池充电

尽管Li+电池能为大多数便携式信息终端提供最佳性能，但镍氢(NiMH)电池仍为最低成本的设计提供了一个可行的选择。当负载要求不太高时，使用镍氢电池是一个降低成本的好方法。这需要使用一个DC-DC转换器将1.3V的电池电压升至设备可使用的电压，典型为3.3V。因为任何电池供电设备都需要某种类型的稳压器，而DC-DC仅是一种不同类型的稳压器，并不是额外增加的。

图7所示电路使用了一种不寻常的方法来对NiMH电池充电，并且在不使用外接FET的情况下，在USB输入和电池之间切换对系统负载的供电。“充电器”实际上是一个电流受限的DC-DC降压转换器(IC1)，它用300mA至400mA的电流对电池充电。尽管不是一个精确的电流源，但其适度的电流控制精度仍能满足充电要求，即使电池短路也能保持对电流的控制。使用DC-DC充电与常见的线性电路相比，一个很大的优越性就在于能够高效地利用有限的USB功率。当以400mA电流对—节NiMH电池充电时，电路仅从USB输入端汲取150mA的电流。在充电的同时留出了350mA电流可供系统使用。负载由电池到USB的切换，是通过USB电源与boost转换器(IC2为DC-DC升压转换器)输出之间用二极管(Di)“或”实现的。当USB断开时，boost转换器IC2产生3.3V输出。USB连接时，D1将DC-DC升压器(IC2)输出拉升至约4.7V.IC2输出被拉升时会自动关断，关断后从电池汲取的电流不超过1µA。如果不允许接人USB时输出从3.3V变成4.7V，可用一个线性稳压器与D1串联。

此电路的一个局限是要依赖系统控制结束充电。IC1仅作为一个电流源，如果不加限制，会对电池过度充电。R1和R2设置IC1最大输出电压为2V，作为一个安全界限。充电能使输入端被系统用来终止对电池充电。另外，因为150mA的充电器输入电流大于一个单位负载，如果需要，在枚举之前还可作为降低USB负载电流的手段。

7、结 语

以上开的开发拓宽USB接口的电源功能与从USB接口获得多种电源(3.V与5V的电源)方案介绍,实际上是充分应用USB电源功能为数字化便携式设备Li+或镍氢(NiMH)电池充电特性分折,该设计技术既复杂亦可简单,这取决于USB接口的电源类型、功率与扦入USB设备负载及其电池性能等多方面的配合使用,即究竟采用何种应用方案能获得最佳性价比,是要根据各便携式设备实际情况而定.