引言

　　無論您身處何處，環顧四周時，很可能會看到有人正在使用便攜式設備。無論是在家里、車上還是插入到計算機，USB供電的便攜設備均需要采用智能方法確定正常工作以及充電所需的合適功率。由于便攜設備種類繁多、USB端口千差萬別以及可充電電池的特性復雜，2010年頒布的USB電池充電規范1.2版 （簡稱為BC1.2） 成為建立通過USB端口為電池充電的正確方式的關鍵標準。但是，即使有了BC1.2規范，有些便攜設備制造商仍然采用專有的充電器，使得USB電池充電領域更為復雜。

　　本文討論USB電池充電最新行業標準的推動力及其定義的技術規范，也給出了實現對各種專有便攜充電設備進行大電流充電的USB端口的簡單策略。

　　電池充電標準的迫切性——BC1.2規范頒布之前

　　USB得到廣泛普及是因為其能夠為外圍設備供電。USB孕育于上世紀90年代中期，最初的目的是將外部設備（例如鍵盤、鼠標、打印機、外置驅動器等）連接至計算機。隨著越來越多的各種便攜式設備受到青睞，也同樣需要為其供電。利用數據傳輸連接器供電的能力使得USB在便攜式市場具有直接而顯著的優勢。

　　在2007年第一個電池充電規范頒布之前，嘗試為電池充電本質上是一種冒險——結果非常難以預測。當2000年出現USB 2.0時，外設默認吸收100mA電流，除非明確協商將電流增大至最高500mA。如果總線上經過一段延遲后沒有數據活動，總線將進入“掛起”模式，將允許吸收電流限制到2.5mA。如果便攜設備的電池完全耗盡，嘗試利用標準端口進行充電時，則只能可靠吸收2.5mA電流！

　　實際上，許多電子設備制造商并不嚴格遵守USB 2.0規范，在其提供的USB端口中不采用這些電流限值。有些（大多數）USB端口無論枚舉還是持續活動都允許100mA電流；有些端口甚至提供500mA電流，而不考慮必要的功率協商。有些便攜設備的應用要求超過100mA的電流，并錯誤假設USB端口總是能夠提供500mA電流。

　　好的充電方案必須知道如何通知便攜設備從USB端口吸收多少電流是安全的。雖然合乎邏輯，但之前模棱兩可的USB“事態”存在一個主要問題——如果吸收電流超過預期，USB端口將如何響應？有些端口將完全關斷，并一直保持關斷狀態，直到外設拔出后再重新插入；有些端口將觸發USB系統復位，重新啟動枚舉過程。

　　BC1.2規范的推出

　　電池充電并不是USB的原始特性，因此，在BC1.2頒布之前，官方并未就為關斷設備的電池充電做出任何規定。通過建立清晰的USB端口供電能力溝通方法，BC1.2規范改進了其中許多問題。

　　無論可充電電池使用的材料如何，均需在工作和充電期間予以特別考慮。例如，Li+電池制造商有時候規定最低放電水平；超過該門限的深度放電電池需要首先在預處理模式下進行充電，然后再開始完全充電。電池達到標稱條件后，即可采用較高電流，以縮短充電時間，這通常稱為恒流模式。當電池幾乎充滿時，繼續采用恒流模式可能有害。智能充電方案將切換至恒壓模式，對電池進行“浮充”。由于電池的特性復雜，為實現可靠充電，必須采用定制，現在大多數便攜設備在最終產品中包括專用的電池充電控制器。

　　BC1.2規范的一項附加優勢是規定了對耗盡電池或弱電池的充電。低于“弱電池門限”的電池允許采用高于2.5mA掛起電流的電流進行充電，與端口類型無關。一旦電池達到標稱水平，要求設備在特定的時間內進行枚舉，以便保持從要求枚舉的USB端口吸收較高的電流。

　　并非所有端口都完全相同

　　BC1.2規范簡要規定了三種不同類型的USB端口和兩種關鍵對象。“充電”端口是可提供500mA以上電流的端口；“下行”端口按照USB 2.0規范傳輸數據。BC1.2規范也確定了每個端口應如何向終端設備枚舉，以及識別應用端口類型的協議。三種USB BC1.2端口類型為SDP、DCP和CDP （見圖1）：

　　1. 標準下行端口（SDP）。這種端口的D+和D-線上具有15kΩ下拉電阻。限流值如上討論：掛起時為2.5mA，連接時為100mA，連接并配置為較高功率時為500mA。

　　2. 專用充電端口（DCP）。這種端口不支持任何數據傳輸，但能夠提供1.5A以上的電流。端口的D+和D-線之間短路。這種類型的端口支持較高充電能力的墻上充電器和車載充電器，無需枚舉。

　　3. 充電下行端口（CDP）。這種端口既支持大電流充電，也支持完全兼容USB 2.0的數據傳輸。端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉電阻，也具有充電器檢測階段切換的內部電路。內部電路允許便攜設備將CDP與其它類型端口區分開來。

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　　圖1. USB BC 1.2規定的端口類型。

　　非常幸運，DCP在電氣上實現模擬非常簡單。D+和D-短路在一起（BC1.2規范規定兩者之間的最大阻抗為200Ω），線路相對于地保持浮空。便攜設備識別DCP時只需利用信號驅動D+或D-，然后在另一根線上檢測相同信號。實際上，BC1.2規范的端口識別程序就是這么做的。假設便攜設備在D+上設定一個電壓并測量D-，然后在D-上設定一個電壓并測量D+。有了這么簡單的設置，就很容易設計帶有USB連接器的墻上充電器。設計者只需將連接器上的兩個引腳短路，然后將其添加到能夠提供2A、5V電源的現有墻上充電器。真是這樣嗎？不盡然。

　　即使有BC1.2規范可循，有些電子設備制造商仍然為其專用充電器開發定制協議。當您將這樣的設備連接至完全符合BC1.2規范的充電端口時，可能仍然會產生報錯消息：“Charging is not supported with this accessory.”（不支持該附件充電）。盡管出現該報錯消息，此類設備實際可能仍然進行充電，但充電電流極其小。幸運的是，幾乎所有此類專有充電器利用5V和地之間的電阻分壓器設定D+和D-線上的直流電平，從而識別本身（圖2）。

　　圖2. 不同制造商的專用充電端口。

　　又非常幸運的是，有一種智能、低成本方案可對這些制造商的設備以及符合BC1.2規范的設備進行最佳充電。

　　端口檢測是必需的

　　USB充電器適配器仿真器

　　USB充電器適配器仿真器是一種使專用充電器表現為BC1.2 DCP或其他專有充電器的器件。充電器適配器仿真器為墻上充電器提供動態元件，無需增加分立的控制單元，即可檢測所連設備的類型。許多充電器適配器仿真器可利用硬件配置，選擇不同的充電器識別特性；其它仿真器具有自動檢測電路，檢測所連接便攜設備的類型，可在制造商的特定分壓器和BC1.2 DCP模式之前進行切換。

　　為了方便、有效地集成至墻上充電器，USB充電器適配器仿真器的尺寸必須很小，外部元件數量必須很少。例如，MAX14630/MAX14632充電器適配器仿真器可配置為自動檢測USB BC1.2兼容設備、Apple 1.0A設備、2.1A設備或Samsung? Galaxy Tablet 2A設備。其中每種USB適配器仿真器只需一個旁路電容，采用2.90mm x 1.60mm封裝。圖3所示的電路是兼容Apple 1A和USB BC1.2兼容設備的單個專用充電器的快速實現。該適配器模擬器默認將電阻分壓器連接至數據線，但能夠按照BC1.2自動檢測USB BC1.2設備并將D+和D-短路在一起。配合交流轉直流5V電源使用時，利用適配器仿真器協商正確的限流值，能夠對各種便攜設備進行最佳充電。

　　圖3. 自動檢測USB BC1.2/Apple 1A設備的DCP示例。該設計采用MAX14630/MAX14632 USB充電器適配器仿真器。

　　專用充電器相對簡單；充電下行端口支持USB 2.0數據率以及處理高達1.5A充電電流，增加了復雜度。為了有別于專用充電器，CDP具有BC1.2規范規定的內部電路；在端口檢測階段，當檢測到便攜設備驅動D+時，內部電路能夠將D-驅動為規定電壓。內部電路只能在端口檢測期間切換，并且在關斷時只能在總線上產生規定大小的寄生電容。這些限值由USB 2.0規范規定，該規范規定保證高速USB通信的電路參數。

　　端口檢測階段之后，兼容BC1.2規范的CDP斷開以上所述的內部電路，即可進行正常的USB數據傳輸。有趣的是，有一個問題是CDP中存在而DCP中所沒有的：數字噪聲裕量。根據USB 2.0規范，USB電纜中的100mA接地電流會在主機地和設備地之間產生25mV的電壓差。由于電流可高達1.5A，所以CDP及兼容BC1.2規范的便攜設備必須能夠解析設備與主機地失調最大達375mV的數據。這些關鍵問題的重點是設計者不能隨意搭建CDP，必須謹慎確保正常工作。

　　USB主機適配器仿真器

　　USB主機適配器仿真器組合了高速USB模擬開關（能處理高達480Mbps的USB 2.0數據）和USB充電器適配器仿真器電路。除DCP和專有充電器特性外，主機適配器仿真器可配置為SDP和CDP直通模式，符合BC1.2規范規定。CDP直通模式下，首次連接設備時，設備模擬CDP功能。然后，為了支持正常的USB 2.0通信，經過充電器檢測階段后，將D+和D-線的控制交給USB主機收發器。

　　此類設備的可配置性使得主機適配器仿真器尤其適合于計算機。例如，當計算機連接至電源時，可通過將主機適配器仿真器配置為CDP，使能高電流USB充電端口。當使用筆記本電腦的電池電源工作時，計算機可將適配器仿真器切換至標準USB端口配置，將電流吸收限制到最大500mA。通過將適配器仿真器重新配置為專用充電器，當筆記本關閉但仍連接有電源時，筆記本電腦仍然可通過其USB端口提供高電流充電。

　　關于主機適配器仿真器的一項重要考慮是重新配置時如何處理USB總線。錯誤地從某種狀態切換至另一種狀態會造成下行USB設備故障。所以，往往包括總線復位或限流開關，以應對配置變化。例如，除支持SDP直通、CDP直通、DCP、Apple 2.1A及Samsung 2A模式外，MAX14640–MAXA14644器件觸發總線復位，以確保下行設備檢測到主機的任何變化。器件也具有自動限流開關控制輸出，當主機收發器通過I2C重新配置適配器或進入待機狀態時對便攜式設備復位。

　　充電器和以上所述的主機適配器設計用于配合分立電源工作，包括墻上適配器或計算機的電源。除家中或計算機附近外，第三個最常見為USB設備充電的場所是車上。汽車中最常見的輔助電源插座提供12V直流，特殊情況下有24V直流。然而，不同工作環境下，該電壓波動范圍很大。鑒于電池電壓隨溫度變化，提供的實際電壓可能低至9V或高達28V；可能存在高達40V的暫態浪涌。有些USB端口應用，例如車載充電器和導航系統，要求汽車級USB充電器/主機適配器仿真器，以及可靠的直流/直流轉換器，以產生USB電源所必需的5V電壓。

　　使用適配器仿真器具有一項附加優勢：使USB收發器避免潛在ESD損害、USB線短路或電池短路。DC/DC轉換器需要保證在較寬輸入電壓范圍內正確工作。保護汽車電池的能力是一項關鍵特性，所以設計良好的轉換器應包括可調節限流電路。此外，車載充電系統需要檢測輸出電流并將診斷數據送至控制單元，這就需要電流檢測放大器。MAX16984是同類產品中的代表，在單片IC中集成了DC/DC轉換器、主機適配器仿真器電路、ESD保護和電流檢測放大器。MAX16984設計工作在4.5V至28V輸入，具有高達42V的拋負載瞬態保護。器件內置電阻反饋網絡（監測VBUS電壓）和高邊電流檢測電流放大器（監測流入所連USB設備的電流）。當然，器件具有USB BC1.2兼容電路，支持高速（480Mbps） USB數據，并且可仿真Apple 1A/2.1A充電器。

　　圖4. 采用MAX16984的高度集成DC/DC降壓轉換器，具有USB主機充電器適配器電路。

　　總結

　　USB BC1.2標準頒布于2010年，可直接為關閉的便攜式設備電池充電。規范也增加了對耗盡電池或弱電池的支持。規范定義了三種明確的USB端口類型，本文對每種類型進行了介紹。遵循USB BC1.2標準，USB端口現在能夠與USB供電便攜設備協商其供電能力。現在可對各種便攜式設備安全充電。最后，USB適配器仿真器的開發為USB端口的設計增加了卓越的可配置性。

　　對于專用于充電的USB端口，新充電器適配器仿真器增加了兼容可插入設備的數量。動態應用中，例如對計算機內置USB端口的不同要求，主機適配器仿真器提供了簡化的設計。在惡劣的汽車環境下，集成DC/DC轉換器和適配器仿真器可管理波動的電壓、削減成本以及節省空間。

——本文選自電子發燒友網3月《電源技術特刊》“透視新設計”欄目，轉載請注明出處，違者必究！