USB電池充電修訂版1.2概述和充電器檢測器的重要作用

本應用筆記詳細介紹了USB電池充電規范1.2以及充電器檢測的作用。通過(guò)使用充電器檢測IC，便攜式設備上的USB連接器成為多功能組件。內置的 BC1.2 合規性使實(shí)施保持干凈且易于使用。在設計緊湊的便攜式產(chǎn)品時(shí)，充電器檢測IC附帶的豐富功能使其成為極具吸引力的集成電路。

USB 規范不斷發(fā)展

除了咖啡的慷慨幫助之外，還有什么可以幫助行業(yè)縮短上市時(shí)間，降低成本，并將設計周期更多地集中在創(chuàng )新上？提示：標準化。通過(guò)定義協(xié)議和工作特性，標準影響了技術(shù)的各個(gè)方面：器件封裝尺寸、引腳排列、數據和通信接口、軟件驅動(dòng)程序、連接器、ESD 額定值、環(huán)境合規性、測試夾具。這樣的例子不勝枚舉。規范越詳細，開(kāi)發(fā)人員就越有能力定義服務(wù)于市場(chǎng)的產(chǎn)品。如果對嚴格定義的標準的價(jià)值有任何疑問(wèn)，請進(jìn)入任何兩家服裝店并購買(mǎi)相同尺寸的襯衫。

最好的標準隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展而增長(cháng)。標準考慮并反映行業(yè)日益增加的復雜性，同時(shí)保持對已經(jīng)建立的做法的支持。USB端口是多功能標準的一個(gè)很好的例子。USB規范最初旨在標準化主機上的連接器，后來(lái)改進(jìn)為允許“在旅途中”（USB OTG）電子設備充當主機或外圍設備。隨著(zhù)USB電池充電規范的引入，該規范再次發(fā)展1以解釋帶有USB端口的手機和其他便攜式設備的令人難以置信的繁榮。USB標準目前正在經(jīng)歷新的USB3.1規范和創(chuàng )新的對稱(chēng)Type-C連接器的另一種演變。因為他們有能力“跟上瓊斯一家的步伐”，2現在，只要有收費設備，哪里都可以找到 USB 端口，這無(wú)處不在。

維護USB等強標準甚至會(huì )影響政府政策。2009年6月，歐盟委員會(huì )發(fā)布了一份備忘錄，打算強制要求每臺使用Micro-USB連接器并主要使用BC1.2的數據手機使用通用充電器。3作為回應，包括蘋(píng)果、LG、三星和索尼愛(ài)立信在內的主要手機制造商簽署了一份諒解備忘錄（MoU）。4組織世界移動(dòng)通信大會(huì )并跨越220多個(gè)國家的GSM協(xié)會(huì )也宣布了使用USB連接器標準化手機充電器連接的意圖。5韓國電信技術(shù)協(xié)會(huì )和中國工業(yè)和信息化部都發(fā)布了手機充電標準化的技術(shù)要求。6甚至聯(lián)合國內的一個(gè)專(zhuān)門(mén)機構國際電信聯(lián)盟也發(fā)布了ITU-T L.1000，根據GSMA、歐盟和中國提案的要求，建議采用通用充電器。7隨著(zhù)USB2.0增加了更新的供電規定，2013年USB3.1的引入以及2014年新的Type-C連接器，標準連接器的采用將繼續受到USB標準的嚴重影響。

BC1.2 中的充電器檢測和端口

為什么標準委員會(huì )和管理機構選擇圍繞 USB 連接器和 BC1.2 中概述的協(xié)議進(jìn)行標準化？建立通用標準可在使用 USB 的任何設備之間實(shí)現互操作性、最佳性能和安全性。該規范定義了任何端口可以提供多少功率，以及便攜式設備檢測可以消耗多少功率的智能方法。因此，任何便攜式設備制造商都可以將其產(chǎn)品設計為與盡可能多的USB端口兼容。制造商將知道如何最好地利用每個(gè)USB端口，并可以預測USB端口將施加的電壓和電流。有了這些知識，他們就可以在沒(méi)有電氣過(guò)應力風(fēng)險的情況下進(jìn)行設計。最后，設備可以使用的充電電流不斷增加，大大減少了所需的總充電時(shí)間。因此，充電器檢測是一項重要功能，應內置于所有包含USB端口的可充電設備中。

在討論充電器檢測協(xié)議之前，了解可用USB端口之間的差異非常重要。下行端口支持USB2.0通信，充電端口可提供大于500mA的電流。BC1.2 概述了三種不同的端口類(lèi)型：標準下行端口 （SDP）、專(zhuān)用充電端口 （DCP） 和充電下行端口 （CDP）。

將SDP視為經(jīng)典的USB端口。除USB通信外，它還在連接時(shí)為外圍設備提供100mA電流;100mA可協(xié)商至500mA。雖然大多數端口通常不強制實(shí)施此電流限制，但不能保證更高的電流。DCP不支持USB通信，但可以提供超過(guò)500mA的充電電流，而無(wú)需任何協(xié)商。CDP 同時(shí)支持 USB 通信和大電流充電;它具有在充電器檢測階段打開(kāi)的內部電路。除了規范中概述的USB端口類(lèi)型外，一些電子產(chǎn)品制造商還構建了專(zhuān)有的充電器識別方案。這些不同的方案增加了另一層不容忽視的充電器檢測技術(shù)。

充電器檢測過(guò)程

BC1.2 中概述的充電器檢測階段有五個(gè)基本步驟。

V總線(xiàn)檢波為了確保連接到USB端口的任何潛在設備的正確排序，V總線(xiàn)連接器上的 GND 引腳故意比 D+ 和 D- 引腳更長(cháng)。這確保了他們首先進(jìn)行接觸（見(jiàn)圖1）。因此，在進(jìn)行任何檢測之前，設備必須首先檢測到 V總線(xiàn)存在。

數據接觸檢測 （DCD）一旦電壓對V進(jìn)行總線(xiàn)有效時(shí)，便攜式設備必須確保數據引腳也接觸，然后才能進(jìn)行任何檢測。如果終端設備在數據引腳接觸之前做出過(guò)早的決定，則終端設備可能會(huì )錯誤地識別存在的充電器。 要執行DCD，外設必須在D+上啟用7μA至13μA電流源（參考+3.3V）并監視其電壓。選擇此電流范圍是為了在規范允許的所有電壓和電阻容差范圍內保持適當的邏輯電平。如果D+開(kāi)路，則電壓將為邏輯高電平。如果關(guān)閉，無(wú)論端口類(lèi)型如何，D+ 都將讀取邏輯低電平。如果在 0.9 秒超時(shí)周期后未檢測到數據引腳接觸，則終端設備假定存在 SDP。

主充電器檢測在此步驟中，終端設備區分 > 個(gè)支持 500mA 的端口，帶有充電標簽（CDP 和 DCP），來(lái)自 < 500mA 端口類(lèi)型 （SDP）。從DCD相位禁用電流源后，終端器件必須在D+上啟用0.5V至0.7V電壓源，在D-上啟用25μA至175μA吸電流。如果存在DCP或CDP，則0.5V至0.7V電平將出現在D-上。如果存在SDP，D-上的電壓將降至零。終端器件在比較器中切換，比較D至0.25V至0.4V。如果D電壓高于0.4V但小于0.8V的邏輯低門(mén)限，則終端器件斷定存在充電端口。

二次充電器檢測在關(guān)閉上一步的電壓源和吸電流后，終端設備需要將CDP與DCP區分開(kāi)來(lái)。為此，它會(huì )反向執行前面的測試。因此，0.5V至0.7V電壓源在D-上使能，50μA電流吸收在D+上使能。如果存在DCP，0.5V至0.7V測試電壓將出現在D+上。如果存在CDP，則D+上的電壓將為零。

CDP 充電電流限制由于CDP同時(shí)支持數據和大電流充電，因此必須進(jìn)行最后的區分。由于USB電纜中的電流很大，主機接地和設備接地只能承受375mV的接地偏移。

圖2.BC1.2 充電器檢測程序摘要。

雖然不符合 BC1.2 標準的充電器因制造商而異，但許多這些專(zhuān)有充電器通過(guò) V 之間的電阻分壓器設置的電壓電平來(lái)識別自己到終端設備總線(xiàn)和地面。根據充電器檢測電路所需的覆蓋水平，可以添加檢測電路來(lái)檢測D+和D-上的電壓電平，從而識別不同的制造商特定的充電器。

充電器檢測技術(shù)

USB 充電器檢測 IC 是實(shí)現與 BC1.2 充電器檢測相關(guān)的許多功能和復雜性的單芯片。誠然，可以離散地實(shí)現檢測方案。但是，分立式系統成功運行的元件數量、電路板空間和時(shí)間將急劇增加。

添加專(zhuān)用充電器檢測芯片需要一些額外的電路板空間，因此制造商通常會(huì )將其他必要或理想的功能組合到同一封裝中。因此，充電器檢測IC高度集成了無(wú)數附加功能，例如用于USB或UART/音頻操作的內置開(kāi)關(guān)，串行控制接口，過(guò)壓保護（OVP），USB OTG支持，Li+電池充電功能，甚至執行USB枚舉的能力。

如果設計人員希望充電器檢測器能夠以最少的額外元件數量和電路板空間將其放入現有設計中，則需要MAX14576/MAX14636/MAX14637系列器件。此類(lèi)充電器檢測器直接由USB V供電總線(xiàn)線(xiàn)，因此無(wú)需添加額外的電源。它們具有內部單刀單擲開(kāi)關(guān)，在執行充電器檢測時(shí)打開(kāi)，在啟用 USB 數據通信時(shí)關(guān)閉。每個(gè)器件都有一個(gè)漏極開(kāi)路 I/O，用于指示是否允許充電以及數據切換的狀態(tài)。除了符合 BC1.2 標準的端口檢測外，某些充電器檢測器版本還具有內置的 Apple 充電器檢測功能。圖3顯示了處理檢測協(xié)議的示例檢測電路。所需的主處理器資源更少，無(wú)需對現有設計進(jìn)行重大修改。?

圖3.MAX14636充電器檢測器框圖

在過(guò)去的幾年里，智能手機風(fēng)靡全球。推動(dòng)這種時(shí)尚技術(shù)的主要力量之一是外形尺寸。隨著(zhù)功能列表的不斷增加，而整體尺寸正在縮小，必須實(shí)施仔細的規劃和集成解決方案，以實(shí)現目標縮小規格。以使用單個(gè)連接器充電的手機為例;連接到電腦;連接到外部配件;或音頻播放。為了緊湊地完成所有這些任務(wù)，系統設計人員可以選擇使用充電器檢測IC，如MAX14656（圖4）。

圖4.使用MAX14656充電器檢測器的智能手機應用

這種通用充電器檢測電路可自動(dòng)區分不同的 BC1.2 兼容端口，并支持檢測大多數 Apple 專(zhuān)有充電器（例如 500mA、1A、2.1A）。該器件還集成了 DPDT 開(kāi)關(guān)，允許 D+ 和 D- 線(xiàn)由高速 USB 收發(fā)器、音頻輸出甚至內部 UART 共享。使用 I2C 接口，嵌入式處理器讀取是否已連接充電器，并將內部開(kāi)關(guān)配置為適當的模式。當您考慮 V 上的內置 OVP 時(shí)總線(xiàn)引腳、數據線(xiàn)上的ESD保護以及1.65mm x 1.65mm的基底面，這款單充電器檢測器在單個(gè)連接器中增加了相當大的多功能性，適用于空間受限的設計。

便攜式電子設備的承諾

充電器檢測技術(shù)之所以如此通用，是因為基本的充電器檢測器功能可以與各種其他功能相結合，為便攜式電子產(chǎn)品制造商提供高度集成的電路。其他解決方案將充電器檢測與Li+電池充電控制結合在一個(gè)封裝中。有些將充電器檢測與 USB 自枚舉相結合。當今最新的充電器檢測器芯片根據BC1.2自主監控電池充電周期，而不是要求嵌入式處理器手動(dòng)調整規范中定義的時(shí)間段內消耗的總電流。

當您結合充電器檢測和電池充電功能時(shí)，您可以進(jìn)行智能電池開(kāi)關(guān)控制。當有充電器時(shí)，該技術(shù)會(huì )自動(dòng)從電池電源切換到充電器電源。因此，一些充電器檢測器芯片既可以為電池充電，又可以提供滿(mǎn)載電流。這樣做的設備還支持熱電流調節，可防止同時(shí)為電池充電并向負載提供電流而導致的危險高溫。通過(guò)集成充電器檢測和電池充電，系統設計人員可以更多地關(guān)注最終應用，而不必擔心充電問(wèn)題。

同時(shí)，USB BC1.2 規范通過(guò)提供制造商可以依賴(lài)的標準，繼續推動(dòng)電子行業(yè)的發(fā)展。目前可用的大量符合 BC1.2 標準的充電器預計只會(huì )成倍增加。僅這一事實(shí)就使將USB連接器集成到便攜式設備中成為一個(gè)有吸引力的選擇。通過(guò)使用充電器檢測IC，便攜式設備上的USB連接器成為多功能組件。內置的 BC1.2 合規性使實(shí)施保持干凈且易于使用。無(wú)論是設計緊湊便攜的產(chǎn)品，充電器檢測IC附帶的豐富功能使其成為極具吸引力的集成電路。

審核編輯：郭婷