USB端口对NiMH电池智能充电的实现方法

概述

通用串行总线(USB)端口是一种带有电源和地的双向数据端口。USB可以连接所有类型的外围设备，包括外 部驱动器、存储设备、键盘、鼠标、无线接口、摄像机和照相机、MP3播放器以及数不尽的各种电子设备。这些设备有许多采用电池供电，其中一些带有内置电 池。对于电池充电设计来说，应用广泛的USB既带来了机遇，也带来了挑战。本文阐述了如何将一个简单的电池充电器与USB电源进行接口。文章回顾了USB 电源总线的特性，包括电压、电流限制、浪涌电流、连接器以及电缆连接问题。同时介绍了镍氢电池(NiMH)和锂电池技术、充电方法以及充电终止技术。给出 了一个完整的示例电路，用于实现USB端口对NiMH电池智能充电，并给出了充电数据。

USB特性

USB总线能够为低功耗电子设备提供电源。总线电源与电网隔离，并且具有很好的稳定性。但是，可用电流有限，同时负载和主机或电源之间存在潜在的互操作问题。

USB端口由90ohm;双向差分屏蔽双绞线、VBUS (+5V电源)和地组成。这4条线由铝箔内屏蔽层和编织网外屏蔽层进行屏蔽。最新的USB规范标准是2.0版，可以从USB组织免费获得。要做到完全符合 该规范标准，需要通过一个功能控制器来实现设备和主机间的双向通信。规范定义了1个单位负载为100mA (最大)。任何设备允许吸取的最大电流为5个单位负载。

USB端口可分为低功率端口和大功率端口两类，低功率端口可提供1个单位负载的电流，大功率端口可最多提供5个单位负载的电流。当设备刚连接到 USB端口时，枚举过程对器件进行识别，并确定其负载要求。在此过程中，只允许设备从主机吸取最多1个单位负载的电流。枚举过程完成后，如果主机的电源管 理软件允许，则大功率设备可以吸取更大的电流。

某些主机系统(包括下游USB集线器)通过保险丝或者有源电流检测器提供限流功能。如果USB设备未经过枚举过程便从USB端口吸取大电流(超 过1个单位负载)，则主机会检测到过流状态，并会关闭正在使用的一个或多个USB端口。市场上供应的许多USB设备，包括独立电池充电器，都没有功能控制 器来处理枚举过程，但吸取的电流却超过了100mA。在这种不恰当的条件下，这些设备可能导致主机出现问题。例如，如果一个吸取500mA电流的设备插入 总线供电的USB集线器，而且未进行正确的枚举过程，则可能导致集线器端口和主机端口同时过载。

主机操作系统采用高级电源管理时情况会更加复杂，特别是笔记本电脑，它总是希望端口电流尽可能低。在某些节电模式下，计算机会向USB设备发出 挂起命令，而后则认为设备进入了低功耗模式。设备中包含一个能与主机进行通信的功能控制器始终是一个比较好的做法，即使对于低功耗设备来说也是如此。

USB 2.0规范非常全面，规定了电源的质量、连接器构造、电缆材质、容许的电压跌落以及浪涌电流等。低电流和大电流端口具有不同的电源指标。这主要是由主机和 负载间的连接器和电缆上的电压跌落决定的，并包括由USB供电的集线器上产生的电压跌落。包括计算机或者自供电USB集线器在内的主机，都具有大电流端 口，可提供最大500mA的电流。无源、总线供电的USB集线器具有低电流端口。表1列出了USB大电流和低电流端口上游端(电源)引脚允许的电压容限。

表1. USB 2.0规范电源质量标准

*这些指标适用于上游端主机或集线器端口的连接器引脚。电缆和连接器上的I x R跌落需另外考虑。

在符合USB 2.0规范的主机中，大功率端口的上游端具有120µF、低ESR电容。所连接的USB设备的输入电容限制在10µF以内，在最 初的负载连接阶段，允许负载从主机(或自供电集线器)吸取的最大电荷数为50µC。这样一来，当新设备连接至USB端口时，上游端口的瞬态电 压跌落小于0.5V。如果负载正常工作时需要更大的输入电容，则必须提供浪涌电流限制器，以保证对更大的电容充电时电流不会超过100mA。

当USB端口带有一个总线供电的USB集线器，集线器上接了低功耗设备时，USB口上允许的直流电压跌落如图1所示。大功率负载与总线供电的集线器连接时，电压跌落将超过图1给出的指标，并会引起总线过载。


图1. 主机至低功率负载的电压跌落大于图中给出的允许直流电压跌落时，会引起总线过载。

电池充电要求

单节锂离子和锂聚合物电池

如今的锂电池充电至最大额定容量后，其电压通常为4.1V至4.2V之间。当前市场上正在出售的、更新的、容量更大的电池，其电压范围在4.3V至4.4V之间。典型的棱柱形锂离子(Li+)和锂聚合物(Li-Poly)电池容量为600mAh至1400mAh。

对Li+和Li-Poly电池来说，首选的充电曲线是从恒流充电开始，一直持续到电池电压达到额定电压。然后，充电器对电池两端的电压进行调 节。这两种调节方式构成了恒流(CC)恒压(CV)充电方式。因此，这种类型的充电器通常称为CCCV充电器。CCCV充电器进入CV模式后，电池的充电 电流开始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充电速率充电，则当电池达到其充满容量的80%至90%时，充电器由CC模式转换为CV模式。充电器一旦进 入CV充电模式，则对电池电流进行监视；当电流达到最低门限(几毫安或者几十毫安)时，充电器终止充电。锂电池的典型充电曲线如图2所示。


图2. 使用CCCV充电器对Li+电池充电时的典型曲线

从图1所示的USB电压跌落指标可以看出，端口供电集线器的下游低功率端口电压不具备足够的余量，很难将电池充至4.2V。充电通路上存在的小量额外电阻会妨碍正常充电。

Li+和Li-Poly电池应在合适的温度下进行充电。制造商推荐的最高充电温度通常为+45°C至+55°C之间，允许的最 大放电温度可再高出10°C左右。这些电池使用的材料，化学性质非常活泼，如果电池温度超过+70°C，会发生燃烧。锂电池充电器应具备 热关断电路，该电路监视电池温度，如果电池温度超过制造商推荐的最大充电温度时，则终止充电。

镍氢电池(NiMH)

NiMH电池比锂电池要重一些，其能量密度也比锂电池低。一直以来，NiMH电池比锂电池要便宜，但是最近二者的价格差在缩小。NiMH电池具有标准尺寸，在大多数应用中可直接替换碱性电池。每节电池的标称电压为1.2V，充满后会达到1.5V。

通常采用恒流源对NiMH电池充电。当达到充满状态时，会发生放热化学反应，并导致电池温度上升，电池端电压降低。可检测电池温度上升速率或者 负向电压变化率，并用来终止充电。这些充电终止方法分别称为dT/dt和-ΔV。充电速率非常低时，dT/dt和-ΔV不太明 显，很难精确检测到。电池开始进入过充状态时，dT/dt和-ΔV响应开始显现。此时如果继续充电，将损坏电池。

终止检测在充电速率大于C/3时要比低充电速率时容易得多。温度上升速率大约为1°C/分钟，-ΔV响应也比低充电速率时 更明显。快充结束后，建议以更小的电流再充一段时间，以彻底充足电池(补足充电)。补足充电阶段结束后，采用C/20或者C/30的涓充电流来补偿自放电 效应，使电池维持在充满状态。图3所示为采用DS2712 NiMH充电器对NiMH电池(事先已充了一部分电)进行充电的电池电压曲线。在该图中，上面一条曲线的数据在充电电流正在灌入电池时获得，下面那条曲线 的数据在切断电流时测得。在DS2712中，该电压差被用来区分NiMH电池和碱性电池。如果检测到碱性电池，则DS2712不会对它进行充电。


图3. 采用DS2712充电控制器对NiMH电池充电。[p]