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为便携式设备可靠供电开发拓宽USB功能

作者:时间:2012-07-10来源:网络收藏

4.2 方案分析

图5所示电路中,(系统)负载何时与电源或交流适配器连接? 电源和交流适配器何时开始对电池充电?同时,又要你保证系统负载能一直保持与电池相连,在此例中通过一个最大可提供200mA电流的简单的线性稳压器(IC2 MAX8881)来解决。如果系统持续消耗如此大的电流,而通过对电池充电电流只是100mA,最终电池还是会因负载电流大于充电电流而放电。在许多小型系统中,负载峰值电流仅在整个工作期间的部分时段发生。因此,只要平均负载电流小于充电电流,电池仍然会被充电。连接交流适配器时,充电器(IC1)的最大电流上升到350mA。如果USB与交流适配器同时连接,但应自动给予交流适配器优先权。

USB规范要求充电器(IC1)具备的一个特性(而且,一般来讲对于充电器也是有利的)是电流不允许从电池或另一个电源回流到USB电源输入端。在传统的充电器中,可通过输人二极管保证,但USB最小电压为4.35V(由USB功率简述得知)与Li+电池充电所需电压(4.2V)之间差异太小,以致肖特基二极管也不适用。因此,所有回流路径应在IC1的内部被阻止。

图5所示电路在应用上受到一些限制,也许不适用于某些可充电的USB。最明显的限制是相对较低的充电电流,如果Li+电池的容量大于几百毫安时(mAH),充电时间就会很长。第二个限制是由于基本充电器的负载(指线性稳压器的输入)总是与电池相连(即图5中Li+电池与MAX8881的IN端相连)。这样,如果电池已深度放电,则负载加电时也许不能立即开始工作。这是因为电池达到负载设备工作所需的电压前有一定的延迟时间。

5、改进技术: 充电器充电电流和外围电路的改进.

在更先进的系统中,需要对充电器内部和外围电路进行多处改进,这些改进可能包括:可选的充电电流,以便与USB电源或交流适配器或电池的电流能力相匹配;USB电源接人时的负载切换;以及过压保护。

5.1 改进技术方案(见图6所示的电).

在图6所示的电路中,就是利用充电器IC1内部的电压监测器(充电控制器)驱动外部MOSFET Q3(FDN302)来实现了上述的改进

为便携式设备可靠供电开发拓宽USB功能

5.2 改进技术的实现

MOSFET Q1(FDN302)和Q2(FDN302)以及二极管D1和D2绕过电池,直接将可用的电源(USB电源输入或DC电源输入-交流适配器转换而成)连接到负载。当某个电源(USB或DC电源输入)输人有效时,其监视输出 变低,相应的MOSFET管导通。当两个输入都有效时,DC输入优先使用。IC1可防止两个输人同时被使用。二极管D1和D2用来阻断系统负载通路与输入之间的反向电流。而充电器内部电路((由充电控制器及其控制的和二只场MOS管)可以阻断充电通路(BATT)的反向电流。

MOSFET Q2还可提供交流适配器过压保护,保护电压最高达18V。欠压/过压监视器(在DC端)只允许交流适配器电压在4V至6.25V之间时对电池充电。

最后一个MOSFET Q3,在没有有效的外部电源(即USB电源输入或DC电源输入)接人时导通,用电池向负载设备。当USB电源或DC电源任何一个接人时,“电源通”(PON)输出立即关闭Q3,将电池与负载设备断开。这样当有外部电源接人时,即使电池深度放电或已损坏,系统仍能立即开始工作。

5.3 完善与实用

一旦USB设备与主机连接时,先与主机通信决定负载电流是否可以增加,如果被允许,负载电流可以从开始时的一个单位负载上升到五个单位负载。5比1的电流范围对不是专为USB设计的传统充电器来说可能会有问题。而其问题在于传统充电器的电流精度,尽管在高电流时精度足够,但在低电流时会受到电流传感电路失调的影响。结果可能是为了保证充电电流在低端(一个单位负载)不超过100mA限制,电流必须被设置在非常低的水平,从而导致无法使用。例如,对于精度为10%的500mA电流,为了保证不超过500mA,输出只能设置为450mA。仅就这一点而言还是可以接受的,但是,为了保证在低端的充电电流不超过100mA,平均电流只能设置成50mA。最低值可能会低至OmA,显然这是无法接受的。如果要求USB充电在两个范围内都有效,就需要有足够的精度,以便提供尽可能大的充电电流,同时又不超越USB的限制。

在一些设计中,由于系统功率需求的关系,不可能用低于500mA的USB预算功率分别对负载和对电池充电。但是,使用了交流适配器就没有问题。

* 一个高性价比的方案的出现

用一个高性价比的方案可满足这一需求,即只需将图6电路作一简化:将图6电路中与系统负载相连的Q1、D1及连线去掉,这样USB电源并不直接与负载连接,仅与MAX1874的USB引脚相连;从MAX1874的BATT引脚再通过二极管D(MBR0520L)与系统负载相连;充电和系统运行仍然使用USB电源,但系统保持与电池连接。此设计的局限性与图5所示电路相同,即如果USB接人时电池已深度放电,系统要经过一定延迟才能正常工作。但如果连接DC电源,该方案电路能够以同图6电路一样的方式工作,无论电池状态如何都不需等待。这是因为与MAX1874 “电源”通”引脚(PON)相连接的MOSFET 管Q(类似图6中的MOSFET Q3)被关断,系统负载由电池切换到了通过二极管D(类似图6中的D2)DC输人上。

* 这样一个简化又完善与实用的设计方案出现,使USB电源并不与负载相连,但DC输入与负载相连.当连接USB电源时,系统仍然采用电池供电.同时电池又被充电.

6、镍氢电池充电

尽管Li+电池能为大多数信息终端提供最佳性能,但镍氢(NiMH)电池仍为最低成本的设计提供了一个可行的选择。当负载要求不太高时,使用镍氢电池是一个降低成本的好方法。这需要使用一个DC-DC转换器将1.3V的电池电压升至设备可使用的电压,典型为3.3V。因为任何电池供电设备都需要某种类型的稳压器,而DC-DC仅是一种不同类型的稳压器,并不是额外增加的。

图7所示电路使用了一种不寻常的方法来对NiMH电池充电,并且在不使用外接FET的情况下,在USB输入和电池之间切换对系统负载的供电。“充电器”实际上是一个电流受限的DC-DC降压转换器(IC1),它用300mA至400mA的电流对电池充电。尽管不是一个精确的电流源,但其适度的电流控制精度仍能满足充电要求,即使电池短路也能保持对电流的控制。使用DC-DC充电与常见的线性电路相比,一个很大的优越性就在于能够高效地利用有限的USB功率。当以400mA电流对—节NiMH电池充电时,电路仅从USB输入端汲取150mA的电流。在充电的同时留出了350mA电流可供系统使用。负载由电池到USB的切换,是通过USB电源与boost转换器(IC2为DC-DC升压转换器)输出之间用二极管(Di)“或”实现的。当USB断开时,boost转换器IC2产生3.3V输出。USB连接时,D1将DC-DC升压器(IC2)输出拉升至约4.7V.IC2输出被拉升时会自动关断,关断后从电池汲取的电流不超过1µA。如果不允许接人USB时输出从3.3V变成4.7V,可用一个线性稳压器与D1串联。

此电路的一个局限是要依赖系统控制结束充电。IC1仅作为一个电流源,如果不加限制,会对电池过度充电。R1和R2设置IC1最大输出电压为2V,作为一个安全界限。充电能使输入端被系统用来终止对电池充电。另外,因为150mA的充电器输入电流大于一个单位负载,如果需要,在枚举之前还可作为降低USB负载电流的手段。

7、结 语

以上开的USB接口的电源与从USB接口获得多种电源(3.V与5V的电源)方案介绍,实际上是充分应用USB电源为数字化设备Li+或镍氢(NiMH)电池充电特性分折,该设计技术既复杂亦可简单,这取决于USB接口的电源类型、功率与扦入USB设备负载及其电池性能等多方面的配合使用,即究竟采用何种应用方案能获得最佳性价比,是要根据各设备实际情况而定.


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