USB 为便携设备供电与其串行通讯功用相同，现已成为一种标准运用。现在，USB 供电现已扩展到电池充电、沟通适配器及其它供电办法的运用。运用的遍及带来的一个显著效果是便携设备的充电和供电可以交流插头和适配器。因而，相关于曩昔每种设备都选用专用适配器的架构比较，现在的处理计划答应选用多种电源进行充电。
毋庸置疑，USB 电源的最大用处是可以为便携产品的电池充电。可是，不管是 USB 电源仍是其它电源，电池充电都不只仅是从电源取电这样简略。关于 Li+电池特别如此，充电不正确不只会缩短电池寿数，而且存在安全隐患。规划合理的充电器可以优化安全性并增强用户体会，一起它还下降了退货、修理担保等危险，然后下降本钱。
经过 USB 为电池充电需求权衡电池“维护和保养”，考虑 USB 功率束缚以及便携式消费产品规划中存在的体积和本钱问题。本文评论了如安在这些要素中到达最佳平衡。
供电端口
USB 标准现现已历了几代电源办理技能。开端的 USB 1 和 USB 2.0 标准规则了两种类型的电源（别离是 5V 500mA 和 5V 100mA），为所衔接的设备供电。这些标准并非针对电池充电，而是用于小型外设供电，例如麦克风和键盘。但这并不阻碍规划人员规划出自己的 USB 电池充电设备。可是，假如没有一致辅导，不同设备和充电器之间的互操作性就得不到保证。这种束缚促进近期开发了 USB 标准弥补阐明：电池充电标准，1.1 版，4/15/2009 （BC1.1）¹，弥补了充电常识和电源阐明，最大电源电流可达 1.5A。虽然标题为“电池充电标准”，但该文件简直没有包含关于充电电池目标的任何信息，只是规则了应该从 USB 端口吸收多大功率充电。实践充电办法依然会留给规划人员。
在 BC1.1 之前，一切 USB 电源端口在有用作业（即 USB 术语中的“非挂起”办法）时，归为“低功率”（100mA）或“大功率”（500mA）。任何端口也可以“挂起”，意味着挨近封闭，但仍可供应 2.5mA 电流。关于大多数设备，PC、笔记本电脑或供电集线器（供电集线器是一种 USB 中止盒，运用本身的墙上适配器电源供应总线供电）端口为“大功率”，除了上行 USB 主机供应的电源外，不接纳其它电源的集线器端口被认为是“低功率”。刺进设备后，开端答应吸收最大 100mA 的电流，一起进行枚举并与主机洽谈其电流预算。随后，或许答应吸收高达 500mA 的电流，或许是坚持在 100mA。在 USB 串行总线标准 2.0 版的第 7.2.1.4 部分对此进行了详细规则。
BC1.1 的内容超出了 USB 2.0 规则的电源分配，它界说了更多用于充电的电源。首要有三种不同类型的电源：
标准下行端口（SDP）这与 USB 2.0 标准界说的端口相同，也是台式机和笔记本电脑常见的典型端口。挂起时，最大负载电流为 2.5mA；衔接且非挂起情况下为 100mA，可以装备电流为 500mA （最大）。设备可运用硬件辨认 SDP，USB 数据线 D+和 D- 别离经过 15kΩ接地，但依然需求枚举，以契合 USB 标准。虽然现在许多硬件不经枚举即耗费功率，但在 USB 2.0 标准中，从严厉意义上并不合法，违背标准要求。
充电下行端口（CDP） BC1.1 为 PC、笔记本电脑及其它硬件规则了这种较大电流的新式 USB 口。现在，CDP 可供应高达 1.5A 电流，因为可在枚举之前供应电流，所以有别于 USB 2.0。刺进 CDP 的设备可经过操作和监测 D+、D- 线，然后运用硬件握手辨认 CDP （拜见 USB 电池充电标准第 3.2.3 部分）。在将数据线转为 USB 收发之前进行硬件测验，这样就可以在枚举之前检测到 CDP （以及开端充电）。
专用充电端口（DCP） BC1.1 规则了不进行枚举的电源，例如墙上适配器电源和轿车适配器，不需求数字通讯即可发动充电。DCP 可供应高达 1.5A 电流，经过短路 D+和 D- 进行辨认，然后可以规划 DCP“墙上适配器电源”，选用 USB mini 或微型插孔，而非圆形插头或克己衔接器的固定设备线。这样的适配器可选用恣意 USB 电缆（装备正确插头）进行充电。
USB 电池充电标准，1.1 版，4/15/2009 中对这些接口类型进行了详细规则。
电源类型检测
关于衔接到恣意 USB 插孔并运用该电源作业或为电池充电的设备，需求了解吸收多大的电流适宜。假如从只能供应 500mA 的电源企图吸收 1A 电流，这种办法并不稳当。USB 接口呈现过载时很或许导致关断、焚毁保险丝或触发自康复保险丝动作。即便具有自康复维护，也只能在拔出设备并从头衔接后才干从头发动。在维护办法不慎重的接口规划中，接口过载会形成整个体系复位。
便携规划可以挑选恰当办法办理接口检测，可以兼容于 BC1.1、只兼容 USB 2.0 或根本不兼容。假如彻底兼容于 BC1.1，则有必要可以检测一切类型的 USB 电源并束缚其电流，包含合法的 USB 1 和 2.0 接口。假如兼容 2.0，将在枚举后从 SDP 充电，但或许不能辨认 CDP 和 DCP。若不能辨认 CDP，它依然可以充电并坚持兼容，但只能在枚举后进行，与 SDP 办法相同。其它部分兼容和不兼容标准的充电办法将在随后评论。
器材可运用本身软件检测接口，或选用独立于体系资源、经过 USB D+和 D- 数据线之间的互动进行检测的接口 IC。这些功用规划的区别详细取决于体系架构。例如，现已选用微操控器或专用 IC 办理电源的设备，或许更倾向于运用 IC 进行端口检测和电流挑选。因为这些设备可以经过 USB 衔接主机并进行通讯，可依据枚举和装备成果挑选充电。这些挑选可以由运用处理器操控，或许是由担任电源办理及其它体系功用的独立微操控器操控。体系检测端口类型、枚举，并向充电器发送相应指令。充电器担任处理充电的硬件和安全事项，具有内置门限，使体系不会危害电池（图 1）。
图 1. 无枚举充电器。USB 收发器和微处理器处理 USB 枚举，然后微操控器将电池充电器设置在正确的参数。
不同的设备规划或许不经过 USB 通讯，或不期望专用体系软件办理 USB 充电，而只是是选用 USB 端口供电。这种办法避免了规划杂乱性，或许无需忧虑软件毛病所形成的充电失效。因为体系不进行枚举，最好的充电挑选是自枚举充电器 IC。充电器担任端口检测并挑选适宜的 USB 负载电流门限，无需体系介入（图 2）。
图 2. 自枚举充电器直接衔接至 USB 数据线，使得简略体系可以彻底运用 USB 充电，无需占用 USB 收发器或微处理器资源。
USB 衔接术语
这儿，咱们有必要介绍一下部分 USB 术语，包含“刺进”、“衔接”、“枚举”和“装备”。
刺进：刺进 USB 电缆的物理进程。
衔接：设备将 1.5kΩ上拉电阻衔接至 D+或 D- 数据线时（刚刺进）。
枚举：设备和主机之间交流初始数据，辨认设备类型。
装备：设置设备参数。
在 USB 2.0 中，设备进行枚举和装备期间需求了解 USB 端口可源出多大电流。枚举和装备需求设备与主机之间进行数字通讯。BC1.1 扩展了 USB 标准，除 USB 2.0 选项外，BC1.1 还答应运用“哑”操作确认端口类型，所以，有些端口无需枚举即可充电。
端口检测和自枚举充电器
MAX8895 判别怎么运用所供应的输入电源，与体系评价电源无关。充电器主动确认适配器类型，可以区别以下类型：
DCP：500mA 至 1.5A
CDP （主机或集线器）：高速充电时到达 900mA （啁啾期间为 580mA）；低速和快速为 1.5A
低功率 SDP （主机或集线器）：100mA
大功率 SDP （主机或集线器）：500mA
所供应的电流支撑电池充电或体系供电，或在它们之间进行分配。假如在长达 10ms 内未检测到总线流量，内置挂起定时器主动触发挂起。
除了主动优化来自 USB 及适配器电源的电流外，MAX8895 还奇妙处理适配器、USB 供电和电池供电之间的转化；答应体系在必要时运用一切可以运用的输入电源（图 3）。施加电源时，电池耗尽或没有电池相同可以坚持作业。集成了一切功率操控 MOSFET，无需外部二极管。热调理环路在极限温度下主动降地充电电流，以下降管芯温度。
图 3. MAX8895 充电器自枚举，依据所衔接电源的类型优化设置充电电流。即便是深度放电的电池，也能坚持体系作业。
添加端口检测
BC1.1 规则了检测端口类型的硬件办法。估计选用集成电路完成这一功用，如图 2 中的 MAX8895，或在 USB 收发器中包含该电路。虽然如此，有些时分的首选计划依然是为现有充电器添加端口检测功用，至少包含其间部分功用。图 4 所示电路为一种根本的 USB 充电器检测办法，受体系微操控器操控作业。这种办法可检测 DCP，可是不能区别 SDP 和 CDP。它把两者均作为 SDP，这就意味着有些情况下会损失从 CDP 吸收更大充电电流的时机。在预算较低的规划中，这一缺陷是可承受的。
图 4. 高速 USB 开关完成有限的 USB 充电器检测办法
图 4 所示衔接办法支撑如下有限端口检测功用。当便携设备刺进三种端口类型之一时，VBUS 为 U1 开关和设备的微操控器供电。U1 的 CB 输入的逻辑低电平将其置于检测办法，D+线经过 10kΩ上拉至体系逻辑电压，D- 经过 100kΩ拉至 GND。假如衔接的是 DCP （D+与 D- 短路），D- 将变为高电平；假如衔接的是 SDP 或 CDP，D- 及检测输出将为低电平。假如检测到 SDP 或 CDP，体系将驱动 CB 为低电平，将开关置于数据办法，该办法下将 D+和 D- 衔接至数据通路，用于枚举及其它数据传输。以上办法有一个局限性：刺进 CDP 时无法辨认，然后不能当即充电，虽然在枚举后可从 CDP 充电。
图 5 所示为完好的端口检测。MAX14578 包含检测衔接设备（USB 电缆、USB CDP 或专用充电器）所需的一切电路，并操控外部锂离子电池充电器。设备履行与 USB 电池充电标准 1.1 兼容的检测逻辑，包含数据触点检测、D+/D- 短路检测和 CDP 辨认。别的，它有一个充电定时器和低电池电量监测器，用于支撑 USB BC1.1“无电电池”充电机制。
MAX14578 具有一个数据开关，适用于 USB 高速和初始（全速和低速）信号。它具有低导通电阻（RON）、低导通电阻平整度以及十分小的电容。CDN 和 CDP 引脚还具有高达 15kV 的人体办法 ESD 维护。
图 5. 运用 MAX14578 USB 充电端口检测器和数据开关 IC，可为充电器添加彻底兼容于 USB BC1.1 的端口检测功用。
在图 6 中，为 USB 设备添加了简略的 Li+电池充电功用。MAX8814 可装备为经过 100mA 或 500mA USB 端口为电池充电。电路初始化为 100mA，然后微操控器枚举主机，以确认其电流驱动才干。假如 USB 端口答应，经过导通电流设置网络的 N1 和 R1，增大充电电流。大电流充电标称设定为 425mA，以避免超越考虑容限后的 SDP 500mA 束缚。充电器还具有一个主动发动电路，当衔接有外部电源时，供应输出信号（ABO）告诉体系。图 6 虽然兼容 USB，但并不契合 BC1.1 标准，所以需求枚举才干充电。
图 6. MAX8814 为 USB 设备添加充电功用供应了简略、引脚数少的处理计划。枚举受体系操控，运用 ISET 引脚监测和操控充电电流。这种规划兼容 USB，但并不契合 BC1.1 标准，所以需求枚举才干充电。
其它充电战略
USB 电池充电规划十分杂乱。便携式 USB 衔接设备并非遵从同一规划理念，存在各种束缚束缚—其间尺度、本钱、充电时刻的影响最为显着。规划中须慎重考虑这些要素及其它更详尽的事项，有助于挑选 USB 充电计划。更多的规划考虑事项包含：
设备在施加外部电源（USB 或适配器）后是否有必要发动一切功用作业？
是否需求独立的输入，别离衔接 USB 和适配器电源？
设备是否具有核算才干和固件与 USB 端口进行洽谈充电？
充电电流是否可以瞬间下降，以减小热耗，或许是否需求开关办法规划？
需求什么样的输入维护办法？
多输入充电
依据 BC1.1 规则，设备只能从 USB 界说的电源充电。这些设备的运用越来越遍及，但您或许依然期望挑选惯例的、或许不兼容 USB 的适配器进行充电。运用双输入充电器可以很好地处理这一问题，可以灵敏替换外部电源。在此之前，一般选用“或”二极管或分立式 MOSFET 比较器进行电源切换，假如考虑潜在的“漏电”通路和切换时刻时，规划会变得相对杂乱。走运的是，现在许多充电器 IC 具有电源关断操控（图 7）。集成这一功用不只仅是简略地代替外部元件。因为集成充电器可以了解开关电路的操作，有助于改进电源改变时的切换。
图 7. MAX8844 等双输入充电器处理运用 USB 和适配器供电的充电器，器材还具有高达 28V 的输入过压维护。
充电器常见的规划考虑是从多电源供电问题，特别是选用圆形衔接器时，或许会衔接到不正确的适配器。为避免这种事情的发生，MAX8844 制止从高于 7.5V 的输入电源充电，可以承受并阻挠高达 28V 的输入，可有用维护电池、充电器及下行电路，避免过错地衔接到其它任何类型的适配器。此外，MAX8844 具有过压维护 LDO，从 USB 和适配器（IN）输入偏置，可向体系供应 30mA 电流。不管充电器是否使能，这些 LDO 输出（SAFEUSB 和 SAFEOUT）都坚持有用。器材履行的其它充电功用包含：电池检测、热束缚、在极点环境温度下减小充电电流（以坚持较低的管芯温度）、主动发动逻辑输出、外部电源作用时告诉体系。
电池负载切换（智能电源）与直接衔接
在 USB 和适配器供电的充电运用中，一个要害规划要素是充电电路是否直接衔接到电池和体系负载，或许在衔接外部电源时是否需求额定的开关断开电池与体系的衔接，这两种情况如图 8 所示。
图 8. 直接衔接充电器及 Maxim 的智能电源挑选（Smart Power Selector™）技能示意图
直接衔接结构是最简略、最经济的完成办法。假如电池深度放电后施加外部电源，将会显露出它的首要缺陷。这种情况下，体系或许不能发动，直到电池到达可承受的水平。有些运用中，等候电池充电到必定程度，然后再康复一切功用，用户也是可以承受的；可是，有些运用中，不管电池情况怎么，“有必要”要求衔接外部电源时可以当即作业。后一种情况下，Maxim 的智能电源挑选器答应体系在电池深度放电情况下运用外部电源供电，拜见图 9。
图 9. 具有智能电源挑选器的双输入 USB/ 适配器（例如 MAX8934），在衔接外部电源时可以当即为体系供电，并一起为彻底放电的电池充电。
图 9 中，体系负载输出（SYS）和电池（BAT）之间的内置低阻（40mΩ） MOSFET 在充电和放电作业期间担任多项功用。充电期间，该智能电源挑选器开关充分运用有限的 USB 或适配器电源，在保证体系供电的条件下为电池充电。它还将电池作为一个缓冲储能设备，在负载瞬时发生超越输入限流的峰值电流时保证体系供电。放电期间，该开关供应一条从电池到体系的低损耗通路。
体系软件处理与 USB 主机的通讯并向充电器发送指令。MAX8394 办理充电硬件，并供应简略的通讯，设置 USB、适配器充电相关的参数。预设 USB 输入电流门限，保证不超越规则的束缚，适配器运用用户设置的电流。充电器还向体系供应完好的情况和毛病信号。
MAX8934 具有最新的充电安全特性，包含日本电子信息技能产业协会（JEITA）规则的与温度相关的充电协议，在温度升高时暂停或减缓充电。此外，输入具有高达 16V 的过压维护（OVP），而且器材在极点条件下经过减小充电电流束缚温度的上升。
高达 2A 的开关办法快速充电器，发热最小
有些紧凑设备需求较大的充电电流（超越 1A），无法承受线性充电器在高充电速率下发生的过多热量。针对这种需求，MAX8903 （图 10）供应了一个 4MHz DC-DC 转化器，在坚持器材最小面积的一起，可以从适配器电源为电池供应高达 2A 的电流。与 MAX8934 相同，MAX8903 为双输入规划，经过独立的衔接承受 USB 和适配器输入。与之前输入电源和电池电源关断操作相同，主动进行电源之间的切换。
图 10. 具有智能电源挑选器的 MAX8903 开关办法充电器，可从适配器输入供应高达 2A 电流，从 USB 源供应 500mA 电流。
MAX8903 的 4MHz 开关频率使开关模转化器的有源元件坚持在最小尺度，在考虑了较低的功耗后，运用该器材构建的 2A 充电器会小于等效的线性充电器。实践上，考虑到热耗散，大多数便携设备在任何条件下都不能支撑 2A 的线性充电架构。
内置过压和极性反接维护
虽然 USB 充电标准对电源适配器和充电器进行了必定程度的强制要求，可是针对便携设备的 USB 规划依然比较紊乱，特别是那些挑选运用一般圆形插头作为电源的运用（只运用适配器或许是双输入设备十分遍及）。用户极简单运用“顺手找到”的、但输出电压乃至极性是过错的适配器。经过在充电器电源输入端集成正、负 22V 维护，MAX8900 可以减轻规划人员的担负：无需外部维护器材或 MOSFET 开关（图 11）。
图 11. 具有±22V 过压和极性反接维护的直接衔接开关办法充电器
MAX8900 是一款直接衔接充电器，体系一般衔接至电池。其 3.25MHz 开关频率答应运用十分小的外围器材，并供应高达 1.2A 的充电电流，热耗十分低。除了双极性输入维护外，还依据 JEITA 规则，依照温度的改变调整充电参数。
经过 USB 为 NiMH 电池充电
图 12. USB 供电的单节 NiMH 电池开关办法充电器
虽然表面上 Li+电池现已占有整个便携国际，但 NiMH 电池并没有被彻底遗弃。令人吃惊的是，虽然单位分量的能量依然有较大距离，但其单位体积的能量仅比 Li+电池低大约 15%。NiMH 电池的最大缺陷是自放电率较高，混合型 NiMH 电池在很大程度处理了这一问题，例如 SANYO® Eneloop®电池，静态下一年之后依然可以保存 85%的电量。NiMH 电池的吸引力在于本钱低、安全性高、用户替换便利等，至少标准电池具有这些优势。
图 12 所示便携设备由一节 AA 型 NiMH 电池供电，运用 USB 充电。DS2710 充电器开关频率大约为 150kHz，电池充电电流为 1.1A （典型 AA 型 NiMH 电池在大约 0.5°C 条件下）。因为降压转化器将 5V、500mA 转化成电池充电时的 1.5V、1.1A，电路供应电池的电流（1.1A）大于从 USB 接口取得的电流（500mA）。需求留意的是，因为在低充电速率下不能正确判别充电中止，只能选用 500mA 或更大功率的端口进行充电。所以，当枚举确认只要 100mA 电流可用时，不该激活充电。体系经过封闭 TMR 上的 Q2，使定时器电阻悬空，中止充电。
该充电器别的一项特别有用的功用是：经过检测电池阻抗确认接入的是否为碱性电池或毛病电池，检测到这种情况时将制止充电。这就答运用户在紧迫情况下刺进碱性电池，无需忧虑意外充电。
USB 3.0
USB 3.0 标准进一步进步了 USB 的数据速率。标准在电源方面与 USB 2.0 类似，只不过“单位负载”从 100mA 增大至 150mA，大功率端口不得不供应 6 个（而不是 5 个）单位负载。这就意味着低功率 USB 3.0 端口可供应 150mA 电流，大功率 USB 3.0 端口可供应 900mA 电流。
“假象”—非标准 USB 充电
与一切添加的不同于原始运用的标准相同，制造商有时为了供应至少受限的充电架构而疏忽了 USB 2.0 标准的部分要求。一般这种非标准设备在任何条件下吸收的电流都不大于 100mA，所以，不管是大功率仍是低功率集线器都不会过载。将电流束缚在这一水平的缺陷是电池充电时刻较长，但假如设备在大部分时刻都衔接至 USB 端口，或许仍可承受。除了充电时刻较长外，这种办法还有别的一个局限性：假如体系电池已彻底放电，发动一切体系功用须延迟到电池到达满足电量的水平。
非标准充电的另一方面涉及到 USB 挂起的处理。USB 2.0 规则一切设备在必定周期内没有总线操作时有必要挂起（吸收电流小于 2.5mA）。因为编制该标准时没有包含充电，所以没有考虑设备在封闭时持续坚持电池充电的情况。可是，因为大多数 USB 主机实践并不封闭电源，这种违背标准的操作也很少阻碍充电。
非标准充电假定可以取得 500mA 电流，指示用户刺进到可以供应 500mA 电流的电源端口和集线器。如上所述，因为大多数 USB 端口不封闭电源，这种办法在大多数情况下有用。当这样的设备刺进到不支撑 500mA 电流的端口时，端口将按规则关断。可是，USB 端口的过载情况并非任何情况下都给出了明晰的界说，会导致体系复位或损坏。走运的是，电池充电现已是 USB 标准的一个有机组成部分，所以不再需求如此的冒险操作。
定论
USB 充电具有多种办法，取决于不同 USB 设备的共同要求。USB 电池充电标准 1.1 版终究对之前的许多充电操作进行了标准。跟着 BC1.1 标准的遍及，将会下降制造商和顾客的本钱。该标准运用的遍及也会进步体系的互操作性。虽然如此，USB 标准也只是规则了从端口获取多大功率，依然将电源办理架构和充电标准留给用户去判读。这正是 Maxim 各种充电器材的用武之地，它们可以为简直一切 USB 衔接的便携设备供应安全、牢靠的电池充电器。
责任编辑:pj
