USB接口的电池充电器.doc

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USB接口的电池充电器
USB充电器主要是将手机连接到电脑的USB口，由USB口提供电力，创意十足。其充电器结构十分简单，没有大块的变压器，样式和数据线相同，比原配的充电器要轻便很多，绝对适合居家旅行，充电必备，原来的可以扔掉了。现在的许多MP3、手机等均配备USB充电器，由数据线作为电源线，插到电脑上自动开始充电；同时配备有变压器，输出口为USB接口，可以为标准插口的所有电器充电：如MP3充电器可以给手机充电，大大方便了人们的生活。
USB电池充电可能很复杂，也可能很简单，这取决于USB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。其它重要因素还包括:1)电池耗尽的设备插入USB端口时，要求多快开始全功能运行；2)允许电池充电的时间；3)在USB功率限制范围内的功率分配；4)是否需要一个交流适配器充电。
1、简单的USB/交流适配器充电
一些最基本的设备不需要软件开销来管理和优化对USB电源的使用。如果设备负载电流限制在100mA以内，任何USB主机，自带电源的集线器，或总线驱动的集线器都可以驱动。这类设计，可采用图1所示的一个基本充电器加一个稳压器的配置。

图1
图1所示电路中，设备何时与USB或交流适配器连接，何时开始对电池充电。同时系统负载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(U2)。如果系统持续消耗如此大的电流，而电池只以100mA的电流通过USB充电，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(U1)的最大电流上升到350mA。如果USB与交流适配器同时连接，自动给予交流适配器优先权。
USB规范要求U1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电源输入端。在传统的充电器中，可通过输入二极管保证，但USB最小电压(4.35V)与锂电池充电所需电压(4.2V)之间差异太小，以致肖特基二极管也不适用。因此，所有回流路径在U1的IC内部被阻止。图1所示电路受到一些限制，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，如果锂电池的容量大于几百毫安时，充电时间就会很长。第二个限制是由于负载(线性稳压器的输入)总是与电池相连。在此例中，如果电池已深度放电，设备加电时也许不能立即开始工作。这是因为电池达到设备工作所需的电压前有一定的延迟时间。
2、负载切换和其它改进
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，以便匹配源(USB或交流适配器)或电池的电流能力；电源接入时的负载切换；以及过压保护。图2所示的电路中，利用充电器IC内部的电压监测器驱动外部MOSFET，实现了部分上述功能。
MOSFETQ1和Q2，二极管D1和D2绕过电池，直接将可用的电源(USB或交流适配器)连接到负载。当某个电源输入有效时，其监视输出(UOK或DCOK)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。U1可防止两个输入同时被使用。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。而充电器内部电路可以阻断充电通路(BATT)的反向电流。MOSFETQ2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接入时导通，用电池向负载供电。当USB或DC电源任何一个接入时，“电源通”(PON)输出立即关闭Q3，将电池与负载断开。这样当有外部电源接入时，即使电池深度放电或已损坏，系统仍能立即开始工作。

图2
USB设备连接时，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。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0mA，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