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除了

USB充电电路图及原理介绍

直接供电的USB设备外，USB更方便的功能之一是用USB电源给电池充电。 由于MP3播放器、PDA等许多便携式设备与PC交换信息，因此电池充电和数据交换同时用一根电缆进行，将大大提高设备的便利性。 USB和电池电源功能的结合，扩大了“无限制”设备的工作范围，例如将移动网络摄像头连接到PC，或者在不连接PC的情况下工作。 大多数情况下，不需要携带不方便的交流适配器。

根据USB设备的要求，从USB到电池的充电可以复杂也可以简单。 影响设计的因素通常是“成本”、“尺寸”和“重量”。 其他重要考虑因素包括：1)将设备连接到USB端口时，带有放电电池的设备能够以多快的速度进入完全运行状态； 2 )允许的电池充电时间3 ) USB限制的电源预算4 )包括交流适配器充电的必要性。 本文将从电源的角度详细介绍USB，然后对这些问题给出解决方案。

图1 USB电压降(通用串行总线规定Rev2.0) () ) ) ) ) ) ) ) ) )。

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图2 USB设备插孔

图2 USB设备插孔

图3

图3无需列举USB至100mA的简单充电和AC适配器至350mA的充电。 这是因为USB的充电电流不会超过“1个设备负载”(100mA )。 3.3V系统负载总是从电池中汲取电流。

USB电源

所有主机USB设备(如PC和笔记本电脑)至少可以提供500mA的电流，或者每个USB插孔可以提供五个“设备负载”。 在USB谓词中，“一个单元的负载”为100mA。 也可以从带电源的USB插孔提供5个单元负载。 总线供电USB插孔保证提供单元负载(100mA )。 根据USB标准和图1的说明，在电缆的外接端子上，USB主机或电源插座的最小有效电压为4.5V，USB总线电源插座的最小电压为4.35V。 这些电压在给锂离子电池充电时(一般需要4.2V )，剩下的量很少。

从连接在USB端口上的所有设备汲取的电流请控制在100mA以下。 与主机通信后，设备决定是否可以占用整个500mA。

USB外设包括两个插孔中的一个。 两个插孔都比PC和其他USB主机上的插孔小。 “SeriesB”和其以下的“Series Mini-B”插孔如图2所示。 SeriesB的针脚1(5v )和4 )地)和Series Mini-B的针脚1 ) 5v )和5 )地)获得电源。

连接后，所有USB设备必须被主机识别。 这称为枚举。 在识别过程中，主机决定USB设备的电源及其是否供电，对于被批准的设备，负载电流可以从100mA增大到500mA。

简单的USB/AC交流适配器充电电路

有些非常基本的设备不希望增加高效的USB电源分类和优化使用所需的软件开销。 设备的负载电流限制为100 ma (在USB中称为“1个设备负载”)时，任何USB主机、自供电插座都可以向设备供电。 对于这样的设计，非常基本的充电器和稳压器电路如图3所示。

每次将USB连接到设备或交流适配器时，该电路都会为电池充电。 同时，系统负载始终与电池相连。 在这种情况下，通过简单的线性稳压器(U2 )可以提供最大200mA的电流。 如果系统连续汲取这样的电流量，以100mA的电流从USB向电池充电，则由于负载电流超过了充电电流，电池将保持放电状态。 在大多数小系统中，峰值负载只在总工作时间的一小部分内发生，因此即使平均负载电流小于充电电流，电池也会充电。 连接交流适配器后，充电器(U1 )的最大电流将增加到350mA。 同时连接USB和交流适配器时，交流适配器会自动优先供电。

U1的特性之一是USB标准所要求的。 也就是说，绝对不允许电流从电池或其他电源输入反馈到电源输入。 一般的充电器虽然可以通过输入二次管确保，但是最小的USB电压(4.35V )和所需的锂离子电池电压) 4.2V )之间的差很小，即使使用肖特基二极管也不合适。 因此，在U1 IC中切断所有的反向电流路径。

图3的电路有一些限制，不适合可充电的USB设备。 最明显的极限是充电电流相当低，数百毫安以上的锂离子电池充电需要时间。 第二个极限是负载(线性稳压器输入)始终连接在电池上。 在这种情况下，系统无法在插入后立即运行。 这是因为电池放电很深，电池达到足够的电压，系统工作之前有一段延迟时间。

比

负载切换和增强型电路

先进的系统需要在充电器或充电器周围增加一些

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。

MOSFET Q1和Q2以及二极管D1和D2旁路电池，直接连接有效(USB或AC适配器)电源输入与负载。当电源输入有效时，DC输入具有优先地位；U1防止在同一时间两个输入都有效。二极管D1和D2防止通过”系统负载”电源通路产生的输入之间的反向电流，而充电器具有内置电路排除通过充电通路(在BATT)的反向电流。

MOSFET也提供AC适配器过压保护(高达18V)。欠/过压监控器使AC适配器电压只在4V和6.25V之间。

MOSEFT Q3在不存在有效外部电源时导通，使电池连接到负载。当USB或DC电源连接时，PON(电源开关)输出立即断开Q3，使电池与负载断开。系统在加外部电源时能立即工作，既使电池深度放电或损坏也能立即工作。

当连接USB时，USB器件与主机通信决定负载电流是否可以增加。若主机允许，负载开始在一个单元负载并增加到5个单元负载。５到1个单元负载的电流范围对于一般充电器(不是设计用于USB)来说存在一个问题。一般充电器的精度，尽管可满足高电流要求，但通常在低电流设置方面不能满足要求，这是由于电流检测电路的偏差造成的。其结果是小范围充电电流(1个单元负载)必须设置得足够低，以保证不会超过100mA限制。例如，对于500mA的10%精度而言，输出必须设置为450mA，以保证它不会超过500mA。这仅仅是可接受的；然而，为了保证低充电电流不超过100mA ,其额定电流必须设置为50mA，而最小值可能是0mA,这显然是不可接受的。若USB充电在两个范围都有效，则需要有足够的精度，使得最大可能的充电电流不超过USB限值。

在某些设计中，系统电源要求用小于500mA USB预算分别供电负载和充电电池是做不到的，但用AC适配器就不成问题。图5所示电路(图4的简化子系统)是一个经济的连接方法。USB电源不直接接到负载。充电和系统工作仍然发生在USB电源，但系统保持与电池的连接，其限制和图3一样：在连接USB时，若电池深度放电，则系统可以在工作前有一段延迟。若连接DC电源，则图5工作状态与图4相同，无等待时间，与电池状态无关，这是因为Q2截止，通过D1系统负载从电池转到DC输入。

镍氢电池充电电路

尽管锂离子电池能为大多数便携装置提供最好的性能，但NiMH(镍氢)电池仍然是低成本设计的可行选择。在负载要求不是太严格时，保持低成本的一个好方法是用NiMH电池。这需要一个DC-DC变换器升压，一般从1.3V电池电压提升到器件可用的电压(一般为3.3V)。由于任何电池供电器件需要稳压器，所以，DC-DC变换器仅仅是一个不同的稳压器。

图6所示电路，用独特的方法为NiMH电池充电，并且不用外部FET在USB输入和电池之间切换系统负载。”充电器”实际上是一个工作在电流限制下的DC-DC升压变换器(U1)。以300和400 mA之间的电流为电池充电。尽管没有精密的电流源，但它具有适当的电流控制，甚至在电池短路时也能够保持电流控制。DC-DC充电拓扑相对于一般线性方案的最大优势是能有效地利用有限的USB电源资源。在以400mA电流NiMH电池充电时，电路从USB输入仅汲取150mA。而充电时剩余350mA用于系统。

二极管D1实现从电池到USB的负载拉出。不连接USB时，升压变换器产生3.3V输出。连接USB时，D1上拉DC-DC升压变换器(U2)输出到4.7V左右。当U2输出上拉时，它自动关闭而从电池汲取的电流小于1mA。在USB连接时，若对于输出从3.3V变换到4.7V不能接受,则可以加入一个与D1串联的线性稳压器。

此电路的限制是依靠系统来控制充电结束。U1仅仅做为一个电流源，若长期不管它，它将会过充电电池。R1和R2置U1的最大输出电压为2V，做为安全限值。”Charge Enable”(“充电使能”)输入起到系统结束充电作用以及枚举前降低USB负载电流的作用，这是由于充电器的150mA输入电流大于一个负载。■

图4

图4 SOT-23功率MOSFET可增加有用的性能(如过压保护和加外电源时断开电池)。当电池充电无负载时，有效电源直接驱动系统。

图5

图5 简单的设计使USB电源不直接接到负载，而是由DC输入到负载。当USB连接时，系统仍然由电池供电，而电池也正在充电。

图6

图6 简单的NiMH充电/电源配置自动传送电源到USB，而设有复杂的MOSFET开关阵列。