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用USB端口给电池充电
USB作为电源为许多用电池供电的小功率电器提供了方便。USB的广泛应用也对 电池充电设计提出了挑战。本文描述怎样把普通充电器连接到USB电源。文中对USB电源总线特性的回顾包括对镍氢电池和锂电池技术、充电方法和充电中止技 术的一般介绍，给出了完整的用USB端口进行smart-charging（智能充电）的镍氢电池充电电路的例子。
1、介绍
通用串行总线（USB）端口是带电源和地的双向数据接口。所有类型的电脑周边设备包括外部驱 动器、存储设备、键盘、鼠标、无线接口、视频摄像机和数码相机、MP3播放器和其它无数的电子设备均可以连接到USB接口。这些设备当中有很多是用电池供 电的，部分设备内置电池。USB的广泛应用也对电池充电器的设计提出了挑战。本文介绍了怎样把普通充电器连接到USB电源为电池充电，概述了镍氢电池和锂 电池技术、充电方法和充电中止技术，给出了完整的用USB接口进行smart-charging（智能充电）的镍氢电池充电电路的例子，同时给出了充电数 据。
2、USB的特性
USB总线可以为低功耗电器提供电源，它跟主电源隔离，相对来说滤波稳压性能较好，然而它也存在著提供电流有限、负载和主机或者电源间有互感的问题。
USB端口由90Ω双向差动屏蔽双绞线、VBUS (+5V电源)和地组成。这四根线均加了屏蔽。目前USB规范为版本2.0，规范的复件可从USB组织免费索取。完全遵从规范需要在设备和主机之间通过功 能控制器实现双向通讯。规范定义一个单元负载的电流为100mA（最大），任何设备最大电流不得超过5个单元负载电流。
USB端口分类为低功耗端口——最多供一个单元负载用，或者高功率端口——最多可供5个单元负载使用。当设备首次连接到USB端口时，有一个列举程 序识别设备以确定它所需要的负载，此时设备只允许驱动一个单元负载，运行列举程序後，如果主机电源管理软件允许，高功耗设备才被允许用大电流驱动。
某些主机系统（包括下游USB集线器）具备保险丝或者有源传感器电流限制功能，如果USB设备没有经过列举而在USB端口出现大电流（超过一个单 元）负载，它会导致可检测的过流情况，这时主机会关掉一个或者更多正在使用的USB端口。许多商用设备包括单机电池充电器，驱动电流超过100mA而不用 功能控制器操作列举程序；它们在不正常环境下冒著给主机带来问题的风险。例如，一个驱动电流是500mA的设备插入一个由总线供电的USB集线器，如果没 有经过适当的列举，它可能会导致集线器和主机均过载。
当主机操作系统使用先进的电源管理，特别是为笔记本电脑这类希望端口电流极小的设备设计的电源管理来说，就会产生其它更加复杂的问题。在某些节能模式下，计算机向USB设备发出挂起命令以便进入低功耗模式，即使使用低功耗设备也最好用功能控制器与主机进行通讯。
USB2.0规范比较完整，它规定了电源的质量、接头的结构、电缆的材料、允许的电压跌落和浪涌电流。小电流和大电流端口具有不同的电源质量规范。 这些主要取决于接头的电压跌落和主机与负载之间的连接电缆，包括USB供电的集线器的电压跌落。主机，例如一台计算机或者自己供电的集线器，具有高达 500mA的大电流端口支持能力。小电流端口主要用在被动总线供电USB集线器中。表1给出了大电流和小电流USB端口逆流端（源端）允许的电压公差。
表1、

参数
需求

DC电压，大功率端口
4.75V～5.25V

DC电压，小功率端口
4.40V～5.25V

最大静态电流（小功率，挂起模式）
500uA

最大静态电流（大功率，挂起模式）
2500uA

最大允许输入电容（负载端）
10uF

需要的最小输出电容
120uF

对负载最大允许浪涌充电
50uC

在与USB2.0规范兼容的主机中，大功率端口逆流端具有120uF低ESR电容。附上的USB设备的输入电容被限制到10uF，在设备首次插上时 总的允许充电容量是50uC。这样当设备连到USB端口时逆流端瞬间电压跌落会小于0.5V。如果当前负载的操作需要更大电容，必须用浪涌电流限制器提 供，对这个较大的电容以不大于100mA电流充电。

图1、从主机到低功耗负载比允许的DC电压跌落还大的电压跌落会使总线过载
一个带有总线供电的USB集线器（带有小功率负载）的USB端口允许的DC电压跌落如图1所示。大功率负载连接到没有供电的集线器相比图1会有更大的电压跌落。
3、电池充电相关知识
a、单节锂离子电池和锂聚合物电池
目前，锂化学电池充电到额定最大容量时为典型的4.1V到4.2V。最新的情况是电压为4.3V到4.4V的高容量电池正在市场上售卖。典型的锂离子电池和锂聚合物电池容量为600mAH到1400mAH。
锂离子电池和锂聚合物电池的首选充电方案是以一个恒定充电电流充电直到电池电压达到额定电压，达到额定电压後，充电器控制电池两端的电压，这两种规 则状态称为恒流（CC）和恒压（CV）充电，因此这种类型充电器通常叫做CCCV充电器。当CCCV充电器在CV模式时，进入电池的电流开始下降。典型的 充电率在0.5C到1.5C，CC和CV模式的切换发生在电池已经达到满冲容量的80％～90％的时候，一旦充电器在CV充电模式，它会监控电池电流，当 它达到一个低阀值（几毫安或者几十毫安），充电器就停止充电。典型的锂化学电池充电方案如图2所示。

图2、用CCCV充电器给锂离子电池充电的典型充电结果
图1所示USB电压跌落表明，在由端口供电的集线器下游端的低功率端口几乎没有能力把电池充到4.2V。小部分充电通道上的附加电阻会阻碍正常的充电。
锂离子电池和锂聚合物电池应该在适中的温度下充电，生产商建议最大的充电温度应该在+45°C 到+55°C之间，放电温度可以再高10°C。电池中所用的材料都是非常活泼的，当电池温度达到70°C时就会起火。锂化学电池充电器应该设计有热关断电 路，用来监视电池的温度，如果电池超过生产商建议的最大充电温度时中止充电。
b、镍氢电池

镍氢电池比锂电池重，能量密度也较低，以前镍氢电池比锂电池便宜但最近价格的差距已经不那麽明显了。镍氢电池一般以标准尺寸提供在大多数应用中可以直接用来代替硷性电池。正常情况下每节电池是1.2V，当冲满电後电压高达1.5V。
镍氢电池通常用恒流源充电。当它们达到满冲状态时由于发生热化学反应导致电池温度上升，中止电压降低。电池温度的上升率或者负电压变化均可被检测出 来，以中止充电。这种中止充电方法分别称为dT/dt 和 －ΔV。当电池过冲时dT/dt 和 －V开始响应，超过这个点继续充电会使电池失效。
以上充电率下中止充电检测比在低充电率下容易得多。温度上升大约1°C/分钟，－ΔV响应较在低冲电率下强烈。快冲结束 後，建议用一个附加的降低电流的充电周期中止电池充电。当中止充电周期结束後，用C/20或者C/30的滴流电流计算自放电效果，保持电池处于满冲状态。 如图3所示是一个未冲满电的镍氢电池用DS2712镍氢电池充电器充电，在一个充电周期内电池电压的变化曲线。在曲线中，最上面的曲线是电流冲进电池时的 数据；下面的曲线是充电电流源关断时的数据。DS2712利用这个电压的差异区分镍氢电池和硷性电池。如果检测到是硷性电池，DS2712就不会对它进行 充电。

4、开关对线性

图3、用DS2712充电控制器向镍氢电池充电
USB规范允许低功率端口高达100mA的电流驱动，大功率端口500mA的电流驱动。如果用线性元件控制电池的充电电流，这些就是最大允许充电电流。图4的线性元件的功耗是P=VQ×IBATT。这导致通路上的三极管产生功率消耗，为了防止过热要用散热器。

图4、功耗等于电池电流乘以三极管上的压降
标称输入电压是5V，视电池的型号、数量和电池电压，通路上的元件消耗一大部分能量。

图5、线性元件的功率消耗，带镍氢电池，电压取自USB端口5.0V输入电压
图5显示线性USB充电器用标称5.0V输入电压对镍氢电池充电的功率消耗计算结果。对单节电池充电，线性充电器的效率只仅有30％左右，对2节电 池充电效率是60％。对单节电池以500mA充电会造成2W的功耗，这个级别的功率一般需要散热器。2W功耗，环境温度为25°C情况下 +20°C/W散热器温度会上升到65°C左右，而且必须暴露于空气中才能达到这个性能。如果密闭在静止空气中，温度会更高。
用开关电源的话就可以解决好几个问题。第一，电池可以冲得更快，充电电流可以比线性电源更大（图6）。因为以热量损失的功率更加少，热管理问题难度就会降低，同时充电器也会更加可靠，因为运行温度比较低。

图6、对单节镍氢电池充电时线性充电器和开关充电器的充电时间的区别
图6的计算值基于以大功率USB端口最大允许电流500mA的90％充电。在本例中开关电源假设是效率为77％的降压型开关电源。

5、电路例子
图7所示电路是一个开关降压整流器对单节镍氢电池充电。它采用DS2712充电控制器调整充电电流和中止充电。充电控制器监控温度、电池电压和电池电流。如果温度高于＋45°C或者低于0°C，控制器就不再对电池充电。

图7、从USB端口向镍氢电池充电的原理图
如图7所示，Q1是降压充电器的开关功率三极管，L1是平滑电感，D1是逆向电压保护二极管。C1是10uF低ESR陶瓷滤波电容，用钽电容或者其 它电解电容代替C1会对充电器的特性产生不良影响。R7是电流调节器传感放大器的电流感测电阻。DS2712的参考电压是有25mV滞後分量的 0.125V。闭环、开关模式电流控制由CSOUT提供。当Q2选通信号被充电控制引脚CC1拉低时，Q1的选通驱动起作用。Q1和Q2都是低Vt（栅源 阀值电压）pMOSFET，当CC1和CSOUT都为低电平，Q2的漏源电压比Vt稍高，该电压加上CSOUT的正向压降建立了Q1开关选通驱动电压；当 CC1为低电平时启动了电流的闭环控制，启动开关波形如图8所示。上面的波形是0.125Ω电流感测电阻上的电压，下面的波形是Q1漏极对地电压。开始 时，Q1导通（CC1和CSOUT都为低电平），电感上的电流急剧上升，当电压达到0.125V时CSOUT变为高电平，同时，电流急剧下降直到电流感测 电阻上的电压达到大约0.1V，于是CSOUT重新变为低电平。只要CC1为低电平这个过程就不断地继续。
DS2712的内部状态机控制CC1的选通动作。充电开始时，DS2712启动电池资格测试，确保电池的电压在1.0V到1.65V之间，并确保温 度在0°C 到+45°C之间。如果电压低于1.0V，DS2712的CC1输出占空比为0.125的低电平，进行慢速充电防止冲坏电池，一旦电池的电压超过 1.0V，状态机转换到快速充电。快速充电的占空比是31/32或者大约97％。跳跃脉冲用来对电池进行阻抗测试确保装到充电器里的不是硷性电池等高阻抗 电池。快冲持续直到检测到ΔV为－2mV，如果没有检测到－ΔV，快冲就会持续直到快冲定时器定时时间到或者直到检测到过热或者过电压等故障条件（包括阻 抗故障）。快冲过後（因为－ΔV或者快冲定时器定时时间到）DS2712进入定时关断模式。定时关断模式以占空比12.5％充电，持续时间为程序规定的快 冲时间的一半。关断完成後，充电器进入保持模式，此时占空比为1/64，充电器一直停留于保持模式直到电池被取走。
图7所示的充电器由大功率USB端口供电，对一节2100mAh镍氢电池进行快冲，时间为2小时多一点，用全关断充电则时间大约为3小时，从端口吸 取的电流是420mA。如果用主机列举并且需要大电流，那麽可以用一个漏极开路nMOSFET串联在R9和地之间。如果MOSFET关断，TMR浮接， DS2712处于挂起状态。

6、总结
USB端口是小型消费电器电池充电的经济实用的电 源。为了跟USB2.0规范兼容，连接在USB端口的负载必须能跟主机双向通讯，负载也必须具有电源管理功能，包括低功耗模式和允许主机确定什麽时候需要 从端口获取大功率的方法。而部分兼容的系统可以和大多数主机适当地配合工作，它们有时候会产生意想不到的结果。正确权衡全兼容和负载的复杂性需要对USB 的必要条件和预期的负载特性有很好的理解。

图8、USB镍氢电池充电器地起始波形