摘要：毋庸置疑，USB電源最有用的一個功能是能夠為便攜裝置的電池充電。但是，無論是USB電源還是其它電源，電池充電都不僅僅是從電源取電這樣簡單。關于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設計合理的充電器可以優化安全性并增強用戶體驗，同時它還降低了退貨、維修擔保等風險，進而降低成本。通過USB為電池充電要權衡電池維護和保養，考慮USB功率限制以及便攜式消費產品設計中存在的體積和成本問題。本文討論了如何在這些因素中達到最佳平衡。

引言

USB為便攜設備供電與其串行通信功能相同，已經成為一種標準應用。如今，USB供電已經擴展到電池充電、交流適配器及其它供電形式的應用。應用的普及帶來的一個顯著效果是便攜設備的充電和供電可以互換插頭和適配器。因此，相關于過去每種裝置都采用專用適配器的架構相比，目前的解決方法允許采用多種電源進行充電。

毋庸置疑，USB電源的最大用途是能夠為便攜產品的電池充電。但是，無論是USB電源還是其它電源，電池充電都不僅僅是從電源取電這樣簡單。關于Li+電池尤其如此，充電不正確不僅會縮短電池壽命，而且存在安全隱患。設計合理的充電器可以優化安全性并增強用戶體驗，同時它還降低了退貨、維修擔保等風險，進而降低成本。

通過USB為電池充電要權衡電池維護和保養，考慮USB功率限制以及便攜式消費產品設計中存在的體積和成本問題。本文討論了如何在這些因素中達到最佳平衡。

供電端口

USB規范已經經歷了幾代電源管理技術。最初的USB1和USB2.0規范規定了兩種類型的電源(分別是5V500mA和5V100mA)，為所連接的設備供電。這些規范并非針對電池充電，而是用于小型外設供電，例如麥克風和鍵盤。但這并不妨礙設計人員設計出自己的USB電池充電裝置。然而，假如沒有統一指導，不同裝置和充電器之間的互操作性就得不到保證。這種限制促使近期開發了USB規范補充說明：電池充電規范，1.1版，4/15/2009(BC1.1)1，補充了充電知識和電源說明，最大電源電流可達1.5A。盡管標題為電池充電規范，但該文件幾乎沒有包括有關充電電池指標的任何信息，只是規定了應該從USB端口吸收多大功率充電。實際充電方法依然會留給設計人員。

在BC1.1之前，所有USB電源端口在有效工作(即USB術語中的非掛起模式)時，歸為低功率(100mA)或大功率(500mA)。任何端口也可以掛起，意味著接近關閉，但仍可供應2.5mA電流。關于大多數設備，pC、筆記本電腦或供電集線器(供電集線器是一種USB中斷盒，利用自身的墻上適配器電源供應總線供電)端口為大功率，除了上行USB主機供應的電源外，不接收其它電源的集線器端口被認為是低功率。插入裝置后，最初允許吸收最大100mA的電流，同時進行枚舉并與主機協商其電流預算。隨后，可能允許吸收高達500mA的電流，或者是保持在100mA。在USB串行總線規范2.0版的第7.2.1.4部分對此進行了詳細規定。

BC1.1的內容超出了USB2.0規定的電源分配，它含義了更多用于充電的電源。重要有三種不同類型的電源：

1.標準下行端口(SDp)這與USB2.0規范含義的端口相同，也是臺式機和筆記本電腦常見的典型端口。掛起時，最大負載電流為2.5mA；連接且非掛起狀態下為100mA，可以配置電流為500mA(最大)。設備可利用硬件識別SDp，USB數據線D+和D-分別通過15kΩ接地，但仍然要枚舉，以符合USB規范。盡管現在許多硬件不經枚舉即消耗功率，但在USB2.0規范中，從嚴格意義上并不合法，違反規范要求。

2.充電下行端口(CDp)BC1.1為pC、筆記本電腦及其它硬件規定了這種較大電流的新型USB口。現在，CDp可供應高達1.5A電流，由于可在枚舉之前供應電流，所以有別于USB2.0。插入CDp的裝置可通過操縱和監測D+、D-線，從而利用硬件握手識別CDp(參見USB電池充電規范第3.2.3部分)。在將數據線轉為USB收發之前進行硬件測試，這樣就能夠在枚舉之前檢測到CDp(以及開始充電)。

3.專用充電端口(DCp)BC1.1規定了不進行枚舉的電源，例如墻上適配器電源和汽車適配器，不要數字通信即可啟動充電。DCp可供應高達1.5A電流，通過短路D+和D-進行識別，從而能夠設計DCp墻上適配器電源，采用USBmini或微型插孔，而非圓形插頭或自制連接器的固定安裝線。這樣的適配器可采用任意USB電纜(配備正確插頭)進行充電。

USB電池充電規范，1.1版，4/15/2009中對這些接口類型進行了詳細規定。

電源類型檢測

關于連接到任意USB插孔并利用該電源工作或為電池充電的裝置，要了解吸收多大的電流合適。假如從只能供應500mA的電源試圖吸收1A電流，這種措施并不妥當。USB接口出現過載時很可能導致關斷、燒毀保險絲或觸發自恢復保險絲動作。即使具有自恢復保護，也只能在拔出設備并重新連接后才能重新啟動。在保護措施不嚴謹的接口設計中，接口過載會造成整個系統復位。

便攜設計可以選擇適當方法管理接口檢測，可以兼容于BC1.1、只兼容USB2.0或根本不兼容。假如完全兼容于BC1.1，則必須能夠檢測所有類型的USB電源并限制其電流，包括合法的USB1和2.0接口。假如兼容2.0，將在枚舉后從SDp充電，但可能不能識別CDp和DCp。若不能識別CDp，它仍然能夠充電并保持兼容，但只能在枚舉后進行，與SDp方式相同。其它部分兼容和不兼容標準的充電方法將在隨后討論。

器件可利用自身軟件檢測接口，或采用獨立于系統資源、通過USBD+和D-數據線之間的互動進行檢測的接口IC。這些功能設計的劃分具體取決于系統架構。例如，已經采用微控制器或專用IC管理電源的設備，可能更傾向于使用IC進行端口檢測和電流選擇。由于這些設備能夠通過USB連接主機并進行通信，可根據枚舉和配置結果選擇充電。這些選擇可以由應用處理器控制，或者是由負責電源管理及其它系統功能的獨立微控制器控制。系統檢測端口類型、枚舉，并向充電器發送相應指令。充電器負責處理充電的硬件和安全事項，具有內置門限，使系統不會損害電池(圖1)。

圖1.無枚舉充電器。USB收發器和微處理器處理USB枚舉，然后微控制器將電池充電器設置在正確的參數

不同的設備設計可能不通過USB通信，或不希望專用系統軟件管理USB充電，而僅僅是采用USB端口供電。這種方式防止了設計復雜性，或者無需擔心軟件故障所造成的充電失效。由于系統不進行枚舉，最好的充電選擇是自枚舉充電器IC。充電器負責端口檢測并選擇合適的USB負載電流門限，無需系統介入(圖2)。

圖2.自枚舉充電器直接連接至USB數據線，使得簡單系統能夠完全利用USB充電，無需占用USB收發器或微處理器資源。

USB連接術語

這里，我們有必要介紹一下部分USB術語，包括插入、連接、枚舉和配置。

插入：插入USB電纜的物理過程。

連接：設備將1.5kΩ上拉電阻連接至D+或D-數據線時(剛插入)。

枚舉：設備和主機之間交換初始數據，識別設備類型。

配置：設置設備參數。

在USB2.0中，設備進行枚舉和配置期間要了解USB端口可源出多大電流。枚舉和配置要設備與主機之間進行數字通信。BC1.1擴展了USB規范，除USB2.0選項外，BC1.1還允許利用啞操作確定端口類型，所以，有些端口無需枚舉即可充電。