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USB电池充电电路

USB标准其中一个特性是从主机为插入的USB外设供电。从过去的串行和并行端口变化到USB，这
种进步可使连接到PC的各种器件数大大增加。

除直接供电USB器件外，USB更有用的一个功能是用USB电源进行电池充电。由于很多便携装置
(如MP3播放机，PDA)与PC交换信息，所以，电池充电和数据交换同时在一条缆线上进行将会使装
置方便性大大增强。把USB和电池供电功能结合起来，扩大了“非受限”装置(如移动web相机连接
PC或不连接PC工作)的工作范围。在很多情况下，不必携带不方便的AC适配器。

从USB对电池充电可以复杂也可以简单，这取决于USB设备要求。对设计有影响的因素通常是“成
本”、“大小”和“重量”。其它重要的考虑包括：1)当设备插入到USB端口时，带放电电池的设
备能够以多快的速度进入完全工作状态；2)所允许的电池充电时间；3)受USB限制的电源预算；4)
包含AC适配器充电的必要性。本文从电源观点详述USB之后，将针对这些问题给出解决方案。

图1USB电压降(来自通用串行总线规定Rev2.0)

图2USB器件插孔

图3从USB简单充电100mA和从AC适配器充电350mA不需要枚举，这是因为USB充电电流不超过
“一个单元负载”(100mA)。3.3V系统负载总是从电池汲取电流。

USB电源

所有主机USB设备(如PC和笔记本电脑)至少可以供出500mA电流或每个USB插口提供5个“单元负
载”。在USB述语中，“一个单元负载”是100mA。自供电USB插孔也可以提供5个单元负载。总
线供电USB插孔保证提供一个单元负载(100mA)。根据USB规范和图1的说明，在缆线外设端，来
自USB主机或供电插孔的最小有效电压是4.5V，而来自USB总线供电插孔的最小电压是4.35V。这
些电压在为锂离子电池充电时(一般需要4.2V)，其余量是很小的。

插入USB端口的所有设备开始汲取的电流不得大于100mA。在与主机通信后，器件可决定它是否可
以占用整个500mA。

USB外设包含两个插孔中的一个。两个插孔都比PC和其他USB主机中的插口要小。“SeriesB"和
更小的“SeriesMini-B”插孔示于图2。从SeriesB的引脚1(+5V)和4(地)和SeriesMini-B的引脚1(+5
V)和5(地)得到电源。

一旦连接，所有USB设备需要主机对其加以识别。这称之为“枚举”。在识别过程中，主机决定U
SB设备的电源以及是否为其供电，对于被认可的设备可以将负载电流从100mA增大到500mA。

简单的USB/AC适配器充电电路

某些非常基本的设备不希望额外的软件开销，此开销对有效USB电源的分类和最佳使用是需要的。
若设备负载电流限制到100mA(在USB中称之为“一单元负载”)，则任何USB主机、自供电插孔可
以对设备供电。对于这样的设计，一个非常基本的充电器和稳压器电路示于图3。
每当器件连接USB或插入AC适配器时，此电路就为电池充电。在同一时间，系统负载总是连接到
电池，在这样的情况下，通过简单的线性稳压器(U2)可提供高达200mA电流。若系统连续地汲取这
样的电流量而电池正在以100mA电流从USB充电，则电池仍将放电，这是由于负载电流超过了充电
电流。在大多数的小系统中，峰值负载只发生在总工作时间的一小部分时间内，所以只需要平均负
载电流小于充电电流，电池仍将充电。当连接AC适配器时，充电器(U1)最大电流增加到350mA。
若在同一时间连接USB和AC适配器，则AC适配器自动处于优先供电的地位。

U1的一个特性是USB规范所要求的(也是一般充电器的法则)，即决不允许电流从电池或其他电源输
入回馈到电源输入。在一般充电器中，用输入二级管可保证做到，但最小的USB电压(4.35V)和所需
的锂离子电池电压(4.2V)之间的差值很小，甚至用肖特基二极管也是不合适的。基于此原因，在U1I
C中断开全部反向电流通路。

图3的电路有一些局限性，使它不适于一些可充电的USB设备。最明显的局限性是其相当低的充电
电流，使得对大于几百毫安一小时的锂离子电池充电耗费时间很长。第二个局限是负载(线性稳压器
输入)总连接到电池。在这种情况下，系统不能够在插入后立即工作，这是因为电池深度放电，在电
池达到一个足够的电压使系统工作之前有一段延迟时间。

负载切换和增强型电路

在更先进的系统中，充电器或围绕充电器需要一些增强性能。这包括可选择的充电电流以适应不同
电源或电池的供电能力，插入电源时的负载切换以及过压保护。图4所示电路增加了这些功能，它
是借助于充电器IC电压检测器驱动的外部MOSFET实现的。
MOSFETQ1和Q2以及二极管D1和D2旁路电池，