鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1498次 | 2019年11月20日
USB電源充電設(shè)計(jì)技巧與注意事項(xiàng)
幾乎所有目前和未來推出的手持設(shè)備都要求使用USB電源和AC墻上適配器充電,這給電池充電帶來了諸多挑戰(zhàn)。本文中,我們將討論簡化USB充電的一些特性。具體而言,就是說哪些特性可以幫助用戶設(shè)計(jì)一種符合USB規(guī)范的應(yīng)用?設(shè)計(jì)如何能夠同時(shí)支持USB和AC適配器輸入呢?我們將討論靜態(tài)電流、輸入電壓動態(tài)電源管理(VIN-DpM)和輸入電流極限。下面就以bq2407x系列器件為例來說明一下這些特性。導(dǎo)言
消費(fèi)者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來越少,并期望獲得通過計(jì)算機(jī)或AC插座充電的靈活性,因此要求幾乎所有目前和未來推出的手持設(shè)備都能通過USB電源和AC墻上適配器充電。USB要求給電池充電帶來了許多挑戰(zhàn)。使用同一條線纜的要求以及由此而來的USB和AC適配器單輸入都意味著系統(tǒng)必須能夠識別并使用兩種電源。本文中,我們以bq2407x系列器件為例來介紹簡化便攜式應(yīng)用鋰離子(Li-Ion)電池充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些特性和規(guī)范。具體而言,我們將討論輸入電流極限、靜態(tài)電流、輸入電壓動態(tài)電源管理(VIN-DpM)以及中國充電器規(guī)范的影響。這些特性簡化了便攜式應(yīng)用的充電器設(shè)計(jì)。輸入電流極限
最公認(rèn)的USB規(guī)范是USB設(shè)備的電流消耗。USB電源分為低功率和高功率電源。低功率電源被定義為非自供電USB集線器。這些設(shè)備使用來自USB電源的500mA電流,且必須在所有連接至集線器的設(shè)備之間共用電流。低功率電源可提供4.4V的最低工作電壓,其電流極限設(shè)定在一個(gè)單位負(fù)載,即USB1.x和2.0下的100mA。就超高速(SuperSpeed)USB而言,單位負(fù)載被增加到了150mA。高功率電源是一些自供電的集線器或者計(jì)算機(jī)USB端口,其可提供最小工作電壓為4.75V,擁有高達(dá)5個(gè)單位負(fù)載的電流,即USB1.x和2.0下每個(gè)端口500mA,或者超高速USB下6個(gè)單位負(fù)載(900mA)。所有設(shè)備默認(rèn)均為低功率模式,但在枚舉主機(jī)時(shí)會要求高功率模式。除高功率和低功率端口以外,許多設(shè)備均通過使用相同連接器的AC適配器來運(yùn)行。這些電源可提供高達(dá)1.5A的電流(USB線纜傳輸能力)。設(shè)備不能使用2.5mA以上的電流時(shí),最終模式為掛起模式。USB設(shè)備必須支持所有這四種模式,以達(dá)到USB規(guī)范。充電設(shè)備的輸入電流極限不能超出USB規(guī)范。這就是說您必須在產(chǎn)品說明書中找到技術(shù)說明規(guī)范以驗(yàn)證在所有工藝差異和溫度下均能夠保證電流極限不超出USB極限。圖1是bq2407x產(chǎn)品說明書的一部分,其清楚地標(biāo)明了輸入電流極限規(guī)范。請注意,規(guī)范的最大數(shù)值為USB極限。這樣就可以確保溫度、工藝和輸入電壓下的所有bq2407x器件都在USB規(guī)范以內(nèi)。最大USB規(guī)范極限列出的典型值是不允許的,因?yàn)橐恍┎考鲞@一值。如果最大數(shù)值大于USB規(guī)范,則存在違反USB規(guī)范的可能性。
圖1bq2407x產(chǎn)品說明書的輸入電流極限節(jié)選主機(jī)要求系統(tǒng)進(jìn)入U(xiǎn)SB掛起模式時(shí),規(guī)范極限為2.5mA。
驅(qū)動EN1和EN2為高電平使得bq2407x進(jìn)入U(xiǎn)SB掛起模式。這種模式下,靜態(tài)電流減少至50μA(最大)。如果其他電路由VBUS電源供電運(yùn)行,則這會給設(shè)計(jì)人員帶來較大的裕量。就待機(jī)模式電流規(guī)范而言,其通常出現(xiàn)在電氣特性表的靜態(tài)電流部分。圖2顯示了bq2407x的靜態(tài)電流。請注意,在USB掛起模式(EN1=EN2=HI)下,最大靜態(tài)電流為50μA(VBUS=6V),其大大低于USB掛起模式的2.5mA要求。
圖2、bq2407x產(chǎn)品說明書的靜態(tài)電流部分節(jié)選USB啟動問題
USB2.0規(guī)范規(guī)定“并聯(lián)一個(gè)單位負(fù)載時(shí)(100mA),線纜下行端允許的最大負(fù)載(CRpB)為10μF。10μF電容代表一個(gè)VBUS線之間直接連接的旁路電容器,加上通過設(shè)備調(diào)節(jié)器的所有可見電容效應(yīng)?!保?]。要對此進(jìn)行測試,USB-IF測試程序文檔1.3版描述為“USB規(guī)范允許高達(dá)10uF硬啟動,其可形成50.0uC的最大浪涌電流值?!保?]50μC由公式1計(jì)算得到:我們?nèi)绾螌⑵渥優(yōu)殡娏鳂O限呢?安培單位為庫侖每秒。這就是說在啟動期間,電流極限以上的最大浪涌電流乘以電流極限以上的時(shí)間,所得結(jié)果必須小于50μC。如公式2所示:請注意,IIN_AVG代表浪涌電流期間的平均輸入電流。充電器設(shè)備的輸入電流極限必須防止來自USB電源的電流超出50μC。圖3顯示了在100mA模式下bq2407x的啟動情況。請注意,高亮區(qū)域代表允許的過沖充電區(qū)域。bq2407x的輸入電容要求為1μF。這超出了符合輸入電容規(guī)定的程度。輸入電流極限讓設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心系統(tǒng)的電容值,因?yàn)閁SB電源絕不會出現(xiàn)這種電流。
圖3輸入電流啟動波形,EN1=EN2=GND,VBAT《VWEAKBATTbq2407x的輸入電容要求為1μF。
硬啟動1μF要求5μC。這種啟動的系統(tǒng)電容為47μF,其不能直接通過USB端口啟動。就輸入電流極限而言,硬啟動系統(tǒng)電容并開始充電都不成問題。輸入電流閾值小于100mA規(guī)范,因此首次啟動以后,便不會違反USB100規(guī)范。弱電池閾值
USB規(guī)范要求在VBUS電源的電流大于2.5mA以前枚舉主機(jī)。但是,規(guī)范中有一條關(guān)于零電量、弱電量或無電池情況的規(guī)定。規(guī)定如下:“一個(gè)零電量、弱電量或無電池情況的設(shè)備需要在連接后100ms左右的時(shí)間提供100mA的電流,以確定它是否可以連接?!保?]如果設(shè)備不能在100ms時(shí)間內(nèi)以100mA啟動,則可能會出現(xiàn)問題。為了解決這個(gè)問題,USB規(guī)范增加了一條電池充電的具體規(guī)定。其規(guī)定“如果便攜式設(shè)備不能以低于100mA的電流上電并連接,該零電量或弱電量電池的設(shè)備則可以使用主機(jī)提供的100mA電流首先將其電池充電至其弱電量電池閾值。一旦達(dá)到其弱電量電池閾值,立即要求設(shè)備上電并連接?!保?]在弱電量電池閾值以上,假設(shè)電池足以為主機(jī)供電,因此主機(jī)開啟。每種應(yīng)用都定義了其自身的弱電量電池閾值。bq2407x的硬件使能以及一個(gè)簡單的電壓探測器使得設(shè)計(jì)人員能夠輕松地滿足這一要求。
圖4顯示的是弱電量電池閾值情況下的一款簡單解決方案。
圖4弱電量電池檢測實(shí)施必須對電壓探測器進(jìn)行應(yīng)用弱電量電池閾值設(shè)置。
例如,TpS3836有數(shù)個(gè)有效閾值。另外,為了獲得最大的靈活性,一些電壓探測器提供了可調(diào)節(jié)閾值。就這種應(yīng)用來說,重要的電壓探測器特性是一種有源低電平RESET(VIN《VTHRESHOLD時(shí)為低電平)推/拉輸出,這樣它便可以與主機(jī)輸出隔離。一旦主機(jī)出現(xiàn),它便關(guān)閉電壓探測器,或者停止上拉。主機(jī)輸出的下拉力必須要大于將電壓探測器輸出與EN1和EN2隔離的一些電阻。圖5顯示了實(shí)施波形。將弱電量電池閾值設(shè)定為3.3V。當(dāng)插入3.5V電池時(shí),其被識別為一塊狀態(tài)良好的電池,同時(shí)EN1和EN2被TpS3836拉為高電平。枚舉主機(jī)以后,主機(jī)拉低EN2,以將bq24072電池充電器設(shè)置為USB500模式。這種方法假定HOST關(guān)閉時(shí)HOSTGpIO為高阻抗。
圖5弱電量電池實(shí)施舉例基于輸入電壓的動態(tài)電源管理(VIN-DpM)
USB規(guī)范規(guī)定,在通過所有集線器和線纜以后的滿負(fù)載條件下,低功率端口設(shè)備的輸出可以低至4.4V。一些設(shè)備實(shí)施了基于輸入電壓的動態(tài)電源管理(VIN-DpM)。該環(huán)路降低了輸入電流極限,以防止輸入崩潰。圖6顯示了無VIN-DpM保護(hù)情況下USB端口過負(fù)載的后果。請注意,當(dāng)輸入電壓降至“電源良好”閾值以下時(shí),充電器關(guān)閉。這樣會關(guān)閉電源的負(fù)載,并允許輸入電壓恢復(fù),從而開啟充電器。這種開/關(guān)脈沖是多余的。
圖6無VIN-DpM的輸入崩潰VIN-DpM通過限制輸入電流來阻止出現(xiàn)脈沖,從而防止輸入電源崩潰。
圖7顯示了使用bq2407x充電器時(shí)USB端口過載的結(jié)果。VIN-DpM功能生效來降低輸入電流極限,并防止電源崩潰。
圖7使用了VIN-DpM的輸入過載保護(hù)中國充電器標(biāo)準(zhǔn)
展望未來,中國針對在中國銷售的充電器適配器制定了一套標(biāo)準(zhǔn),旨在減少每年1億多淘汰手持設(shè)備的廢棄適配器數(shù)量。這種新的標(biāo)準(zhǔn)使用了許多USB規(guī)范。就這點(diǎn)而言,其要求適配器電源線有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的A型USB連接器,以插入AC適配器或標(biāo)準(zhǔn)的USB端口。充電器必須能提供300mA和1.8A之間的電流。額定適配器電壓為5V+/–5%,而且充電器必須工作在低于6V的電源下。電源超過6V時(shí),下游電路必須得到保護(hù)。許多電池充電器IC都具有幫助達(dá)到中國充電器標(biāo)準(zhǔn)的功能。顧名思義術(shù)語“通用充電器”,即充電器IC的輸入必須穩(wěn)健到能夠應(yīng)對許多不同的電源,并且不再是只為單個(gè)特定適配器而進(jìn)行設(shè)計(jì)。它們必須能夠經(jīng)受得住高壓電源(例如:12V車載電源等)的意外接入。如bq2407x等器件的寬輸入電壓范圍可在高達(dá)28V的輸入瞬態(tài)電壓條件下為下游設(shè)備提供保護(hù)。這種高輸入電壓范圍和過壓保護(hù)(OVp)功能可保護(hù)電池充電器和下游設(shè)備免受錯(cuò)誤或潛在有害輸入電源的損壞。VIN-DpM特性還有助于達(dá)到中國充電器標(biāo)準(zhǔn)。通用適配器可提供300mA和1.8A之間的電流。使用沒有VIN-DpM的設(shè)備時(shí),如果IC編程為500mA輸入電流極限,則會使300mA適配器崩潰。VIN-DpM功能可防止輸入在連接弱適配器時(shí)崩潰,而且仍然允許將電流極限針對典型適配器進(jìn)行設(shè)置以最大化充電時(shí)間。
結(jié)論
消費(fèi)者希望其設(shè)備的電源線和連接線越來越少,并期望獲得通過計(jì)算機(jī)或AC插座充電的靈活性,因此要求許多目前和未來推出的手持設(shè)備都能通過USB電源和AC墻上適配器充電。這樣,手持設(shè)備就必須要符合USB規(guī)范。這些要求給電池充電帶來了諸多新的挑戰(zhàn)。本文中,我們使用了bq2407x系列器件來介紹一些輸入電流極限規(guī)范、靜態(tài)電流、輸入電壓動態(tài)電源管理(VIN-DpM)的例子,這些特性簡化了電池充電器的設(shè)計(jì)。另外,我們還探討了中國充電器標(biāo)準(zhǔn)對充電器設(shè)計(jì)的影響。我們簡要介紹的這些規(guī)范和特性簡化了充電器設(shè)計(jì)。
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