本應(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了USB電池充電規(guī)范1.2以及充電器檢測(cè)的作用。通過使用充電器檢測(cè)IC，便攜式設(shè)備上的USB連接器成為多功能組件。內(nèi)置的 BC1.2 合規(guī)性使實(shí)施保持干凈且易于使用。在設(shè)計(jì)緊湊的便攜式產(chǎn)品時(shí)，充電器檢測(cè)IC附帶的豐富功能使其成為極具吸引力的集成電路。

USB 規(guī)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(shè)計(jì)周期更多地集中在創(chuàng)新上？提示：標(biāo)準(zhǔn)化。通過定義協(xié)議和工作特性，標(biāo)準(zhǔn)影響了技術(shù)的各個(gè)方面：器件封裝尺寸、引腳排列、數(shù)據(jù)和通信接口、軟件驅(qū)動(dòng)程序、連接器、ESD 額定值、環(huán)境合規(guī)性、測(cè)試夾具。這樣的例子不勝枚舉。規(guī)范越詳細(xì)，開發(fā)人員就越有能力定義服務(wù)于市場(chǎng)的產(chǎn)品。如果對(duì)嚴(yán)格定義的標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值有任何疑問，請(qǐng)進(jìn)入任何兩家服裝店并購(gòu)買相同尺寸的襯衫。

最好的標(biāo)準(zhǔn)隨著技術(shù)的發(fā)展而增長(zhǎng)。標(biāo)準(zhǔn)考慮并反映行業(yè)日益增加的復(fù)雜性，同時(shí)保持對(duì)已經(jīng)建立的做法的支持。USB端口是多功能標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)很好的例子。USB規(guī)范最初旨在標(biāo)準(zhǔn)化主機(jī)上的連接器，后來改進(jìn)為允許“在旅途中”（USB OTG）電子設(shè)備充當(dāng)主機(jī)或外圍設(shè)備。隨著USB電池充電規(guī)范的引入，該規(guī)范再次發(fā)展1以解釋帶有USB端口的手機(jī)和其他便攜式設(shè)備的令人難以置信的繁榮。USB標(biāo)準(zhǔn)目前正在經(jīng)歷新的USB3.1規(guī)范和創(chuàng)新的對(duì)稱Type-C連接器的另一種演變。因?yàn)樗麄冇心芰Α案檄偹挂患业牟椒ァ保?現(xiàn)在，只要有收費(fèi)設(shè)備，哪里都可以找到 USB 端口，這無(wú)處不在。

維護(hù)USB等強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)甚至?xí)绊懻摺?009年6月，歐盟委員會(huì)發(fā)布了一份備忘錄，打算強(qiáng)制要求每臺(tái)使用Micro-USB連接器并主要使用BC1.2的數(shù)據(jù)手機(jī)使用通用充電器。3作為回應(yīng)，包括蘋果、LG、三星和索尼愛立信在內(nèi)的主要手機(jī)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(guó)家的GSM協(xié)會(huì)也宣布了使用USB連接器標(biāo)準(zhǔn)化手機(jī)充電器連接的意圖。5韓國(guó)電信技術(shù)協(xié)會(huì)和中國(guó)工業(yè)和信息化部都發(fā)布了手機(jī)充電標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)要求。6甚至聯(lián)合國(guó)內(nèi)的一個(gè)專門機(jī)構(gòu)國(guó)際電信聯(lián)盟也發(fā)布了ITU-T L.1000，根據(jù)GSMA、歐盟和中國(guó)提案的要求，建議采用通用充電器。7隨著USB2.0增加了更新的供電規(guī)定，2013年USB3.1的引入以及2014年新的Type-C連接器，標(biāo)準(zhǔn)連接器的采用將繼續(xù)受到USB標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)重影響。

BC1.2 中的充電器檢測(cè)和端口

為什么標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)和管理機(jī)構(gòu)選擇圍繞 USB 連接器和 BC1.2 中概述的協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化？建立通用標(biāo)準(zhǔn)可在使用 USB 的任何設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互操作性、最佳性能和安全性。該規(guī)范定義了任何端口可以提供多少功率，以及便攜式設(shè)備檢測(cè)可以消耗多少功率的智能方法。因此，任何便攜式設(shè)備制造商都可以將其產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yù)測(cè)USB端口將施加的電壓和電流。有了這些知識(shí)，他們就可以在沒有電氣過應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，設(shè)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(cè)是一項(xiàng)重要功能，應(yīng)內(nèi)置于所有包含USB端口的可充電設(shè)備中。

在討論充電器檢測(cè)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型：標(biāo)準(zhǔn)下行端口 （SDP）、專用充電端口 （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(shè)備提供100mA電流;100mA可協(xié)商至500mA。雖然大多數(shù)端口通常不強(qiáng)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(cè)階段打開的內(nèi)部電路。除了規(guī)范中概述的USB端口類型外，一些電子產(chǎn)品制造商還構(gòu)建了專有的充電器識(shí)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(cè)技術(shù)。

充電器檢測(cè)過程

BC1.2 中概述的充電器檢測(cè)階段有五個(gè)基本步驟。

V總線檢波為了確保連接到USB端口的任何潛在設(shè)備的正確排序，V總線連接器上的 GND 引腳故意比 D+ 和 D- 引腳更長(zhǎng)。這確保了他們首先進(jìn)行接觸（見圖1）。因此，在進(jìn)行任何檢測(cè)之前，設(shè)備必須首先檢測(cè)到 V總線存在。

數(shù)據(jù)接觸檢測(cè) （DCD）一旦電壓對(duì)V進(jìn)行總線有效時(shí)，便攜式設(shè)備必須確保數(shù)據(jù)引腳也接觸，然后才能進(jìn)行任何檢測(cè)。如果終端設(shè)備在數(shù)據(jù)引腳接觸之前做出過早的決定，則終端設(shè)備可能會(huì)錯(cuò)誤地識(shí)別存在的充電器。 要執(zhí)行DCD，外設(shè)必須在D+上啟用7μA至13μA電流源（參考+3.3V）并監(jiān)視其電壓。選擇此電流范圍是為了在規(guī)范允許的所有電壓和電阻容差范圍內(nèi)保持適當(dāng)?shù)倪壿嬰娖?。如果D+開路，則電壓將為邏輯高電平。如果關(guān)閉，無(wú)論端口類型如何，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(cè)到數(shù)據(jù)引腳接觸，則終端設(shè)備假定存在 SDP。

主充電器檢測(cè)在此步驟中，終端設(shè)備區(qū)分 > 個(gè)支持 500mA 的端口，帶有充電標(biāo)簽（CDP 和 DCP），來自 < 500mA 端口類型 （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(xiàn)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的邏輯低門限，則終端器件斷定存在充電端口。

二次充電器檢測(cè)在關(guān)閉上一步的電壓源和吸電流后，終端設(shè)備需要將CDP與DCP區(qū)分開來。為此，它會(huì)反向執(zhí)行前面的測(cè)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(cè)試電壓將出現(xiàn)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?jǐn)?shù)據(jù)和大電流充電，因此必須進(jìn)行最后的區(qū)分。由于USB電纜中的電流很大，主機(jī)接地和設(shè)備接地只能承受375mV的接地偏移。

圖2.BC1.2 充電器檢測(cè)程序摘要。

雖然不符合 BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)的充電器因制造商而異，但許多這些專有充電器通過 V 之間的電阻分壓器設(shè)置的電壓電平來識(shí)別自己到終端設(shè)備總線和地面。根據(jù)充電器檢測(cè)電路所需的覆蓋水平，可以添加檢測(cè)電路來檢測(cè)D+和D-上的電壓電平，從而識(shí)別不同的制造商特定的充電器。

充電器檢測(cè)技術(shù)

USB 充電器檢測(cè) IC 是實(shí)現(xiàn)與 BC1.2 充電器檢測(cè)相關(guān)的許多功能和復(fù)雜性的單芯片。誠(chéng)然，可以離散地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方案。但是，分立式系統(tǒng)成功運(yùn)行的元件數(shù)量、電路板空間和時(shí)間將急劇增加。

添加專用充電器檢測(cè)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(cè)IC高度集成了無(wú)數(shù)附加功能，例如用于USB或UART/音頻操作的內(nèi)置開關(guān)，串行控制接口，過壓保護(hù)（OVP），USB OTG支持，Li+電池充電功能，甚至執(zhí)行USB枚舉的能力。

如果設(shè)計(jì)人員希望充電器檢測(cè)器能夠以最少的額外元件數(shù)量和電路板空間將其放入現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，則需要MAX14576/MAX14636/MAX14637系列器件。此類充電器檢測(cè)器直接由USB V供電總線線，因此無(wú)需添加額外的電源。它們具有內(nèi)部單刀單擲開關(guān)，在執(zhí)行充電器檢測(cè)時(shí)打開，在啟用 USB 數(shù)據(jù)通信時(shí)關(guān)閉。每個(gè)器件都有一個(gè)漏極開路 I/O，用于指示是否允許充電以及數(shù)據(jù)切換的狀態(tài)。除了符合 BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)的端口檢測(cè)外，某些充電器檢測(cè)器版本還具有內(nèi)置的 Apple 充電器檢測(cè)功能。圖3顯示了處理檢測(cè)協(xié)議的示例檢測(cè)電路。所需的主處理器資源更少，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行重大修改。?

圖3.MAX14636充電器檢測(cè)器框圖

在過去的幾年里，智能手機(jī)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(xì)的規(guī)劃和集成解決方案，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)縮小規(guī)格。以使用單個(gè)連接器充電的手機(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇使用充電器檢測(cè)IC，如MAX14656（圖4）。

圖4.使用MAX14656充電器檢測(cè)器的智能手機(jī)應(yīng)用

這種通用充電器檢測(cè)電路可自動(dòng)區(qū)分不同的 BC1.2 兼容端口，并支持檢測(cè)大多數(shù) Apple 專有充電器（例如 500mA、1A、2.1A）。該器件還集成了 DPDT 開關(guān)，允許 D+ 和 D- 線由高速 USB 收發(fā)器、音頻輸出甚至內(nèi)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(nèi)部開關(guān)配置為適當(dāng)?shù)哪Ｊ?。?dāng)您考慮 V 上的內(nèi)置 OVP 時(shí)總線引腳、數(shù)據(jù)線上的ESD保護(hù)以及1.65mm x 1.65mm的基底面，這款單充電器檢測(cè)器在單個(gè)連接器中增加了相當(dāng)大的多功能性，適用于空間受限的設(shè)計(jì)。

便攜式電子設(shè)備的承諾

充電器檢測(cè)技術(shù)之所以如此通用，是因?yàn)榛镜某潆娖鳈z測(cè)器功能可以與各種其他功能相結(jié)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(cè)與Li+電池充電控制結(jié)合在一個(gè)封裝中。有些將充電器檢測(cè)與 USB 自枚舉相結(jié)合。當(dāng)今最新的充電器檢測(cè)器芯片根據(jù)BC1.2自主監(jiān)控電池充電周期，而不是要求嵌入式處理器手動(dòng)調(diào)整規(guī)范中定義的時(shí)間段內(nèi)消耗的總電流。

當(dāng)您結(jié)合充電器檢測(cè)和電池充電功能時(shí)，您可以進(jìn)行智能電池開關(guān)控制。當(dāng)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(cè)器芯片既可以為電池充電，又可以提供滿載電流。這樣做的設(shè)備還支持熱電流調(diào)節(jié)，可防止同時(shí)為電池充電并向負(fù)載提供電流而導(dǎo)致的危險(xiǎn)高溫。通過集成充電器檢測(cè)和電池充電，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以更多地關(guān)注最終應(yīng)用，而不必?fù)?dān)心充電問題。

同時(shí)，USB BC1.2 規(guī)范通過提供制造商可以依賴的標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)推動(dòng)電子行業(yè)的發(fā)展。目前可用的大量符合 BC1.2 標(biāo)準(zhǔn)的充電器預(yù)計(jì)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(shè)備中成為一個(gè)有吸引力的選擇。通過使用充電器檢測(cè)IC，便攜式設(shè)備上的USB連接器成為多功能組件。內(nèi)置的 BC1.2 合規(guī)性使實(shí)施保持干凈且易于使用。無(wú)論是設(shè)計(jì)緊湊便攜的產(chǎn)品，充電器檢測(cè)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