鉅大LARGE | 點擊量：667次 | 2021年04月28日
USB端口對NiMH鋰電池智能充電的實現
概述
通用串行總線(USB)端口是一種帶有電源和地的雙向數據端口。USB可以連接所有類型的外圍設備，包括外部驅動器、存儲設備、鍵盤、鼠標、無線接口、攝像機和照相機、Mp3播放器以及數不盡的各種電子設備。這些設備有許多采用電池供電，其中一些帶有內置電池。關于電池充電設計來說，應用廣泛的USB既帶來了機遇，也帶來了挑戰。本文闡述了如何將一個簡單的電池充電器與USB電源進行接口。文章回顧了USB電源總線的特性，包括電壓、電流限制、浪涌電流、連接器以及電纜連接問題。同時介紹了鎳氫電池(NiMH)和鋰離子電池技術、充電方法以及充電終止技術。給出了一個完整的示例電路，用于實現USB端口對NiMH電池智能充電，并給出了充電數據。
USB特性
USB總線能夠為低功耗電子設備供應電源?？偩€電源與電網隔離，并且具有很好的穩定性。但是，可用電流有限，同時負載和主機或電源之間存在潛在的互操作問題。
USB端口由90ohm;雙向差分屏蔽雙絞線、VBUS(+5V電源)和地組成。這4條線由鋁箔內屏蔽層和編織網外屏蔽層進行屏蔽。最新的USB規范標準是2.0版，可以從USB組織免費獲得。要做到完全符合該規范標準，要通過一個功能控制器來實現設備和主機間的雙向通信。規范含義了1個單位負載為100mA(最大)。任何設備允許吸取的最大電流為5個單位負載。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
USB端口可分為低功率端口和大功率端口兩類，低功率端口可供應1個單位負載的電流，大功率端口可最多供應5個單位負載的電流。當設備剛連接到USB端口時，枚舉過程對器件進行識別，并確定其負載要求。在此過程中，只允許設備從主機吸取最多1個單位負載的電流。枚舉過程完成后，假如主機的電源管理軟件允許，則大功率設備可以吸取更大的電流。
某些主機系統(包括下游USB集線器)通過保險絲或者有源電流檢測器供應限流功能。假如USB設備未經過枚舉過程便從USB端口吸取大電流(超過1個單位負載)，則主機會檢測到過流狀態，并會關閉正在使用的一個或多個USB端口。市場上供應的許多USB設備，包括獨立電池充電器，都沒有功能控制器來處理枚舉過程，但吸取的電流卻超過了100mA。在這種不恰當的條件下，這些設備可能導致主機出現問題。例如，假如一個吸取500mA電流的設備插入總線供電的USB集線器，而且未進行正確的枚舉過程，則可能導致集線器端口和主機端口同時過載。
主機操作系統采用高級電源管理時情況會更加復雜，特別是筆記本電腦，它總是希望端口電流盡可能低。在某些節電模式下，計算機會向USB設備發出掛起命令，而后則認為設備進入了低功耗模式。設備中包含一個能與主機進行通信的功能控制器始終是一個比較好的做法，即使關于低功耗設備來說也是如此。
USB2.0規范非常全面，規定了電源的質量、連接器構造、電纜材質、容許的電壓跌落以及浪涌電流等。低電流和大電流端口具有不同的電源指標。這重要是由主機和負載間的連接器和電纜上的電壓跌落決定的，并包括由USB供電的集線器上出現的電壓跌落。包括計算機或者自供電USB集線器在內的主機，都具有大電流端口，可供應最大500mA的電流。無源、總線供電的USB集線器具有低電流端口。表1列出了USB大電流和低電流端口上游端(電源)引腳允許的電壓容限。
表1.USB2.0規范電源質量標準
parameterRequirementDCvoltage,high-powerport*4.75Vto5.25VDCvoltage,low-powerport*4.40Vto5.25VMaximumquiescentcurrent(lowpower,suspendmode)500µAMaximumquiescentcurrent(highpower,suspendmode)2500µAMaximumallowableInputcapacitance(loadside)10µFMinimumrequiredoutputcapacitance(hostside)120µF±20%MaximumallowableinrushchargeIntoload50µC
*這些指標適用于上游端主機或集線器端口的連接器引腳。電纜和連接器上的IxR跌落需另外考慮。
在符合USB2.0規范的主機中，大功率端口的上游端具有120µF、低ESR電容。所連接的USB設備的輸入電容限制在10µF以內，在最初的負載連接階段，允許負載從主機(或自供電集線器)吸取的最大電荷數為50µC。這樣一來，當新設備連接至USB端口時，上游端口的瞬態電壓跌落小于0.5V。假如負載正常工作時要更大的輸入電容，則必須供應浪涌電流限制器，以保證對更大的電容充電時電流不會超過100mA。
當USB端口帶有一個總線供電的USB集線器，集線器上接了低功耗設備時，USB口上允許的直流電壓跌落如圖1所示。大功率負載與總線供電的集線器連接時，電壓跌落將超過圖1給出的指標，并會引起總線過載。圖1.主機至低功率負載的電壓跌落大于圖中給出的允許直流電壓跌落時，會引起總線過載。
電池充電要求
單節鋰離子和鋰聚合物電池
如今的鋰離子電池充電至最大額定容量后，其電壓通常為4.1V至4.2V之間。當前市場上正在出售的、更新的、容量更大的電池，其電壓范圍在4.3V至4.4V之間。典型的棱柱形鋰離子(Li+)和鋰聚合物(Li-poly)電池容量為600mAh至1400mAh。
對Li+和Li-poly電池來說，首選的充電曲線是從恒流充電開始，一直持續到電池電壓達到額定電壓。然后，充電器對電池兩端的電壓進行調節。這兩種調節方式構成了恒流(CC)恒壓(CV)充電方式。因此，這種類型的充電器通常稱為CCCV充電器。CCCV充電器進入CV模式后，電池的充電電流開始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充電速率充電，則當電池達到其充滿容量的80%至90%時，充電器由CC模式轉換為CV模式。充電器一旦進入CV充電模式，則對電池電流進行監視；當電流達到最低門限(幾毫安或者幾十毫安)時，充電器終止充電。鋰離子電池的典型充電曲線如圖2所示。圖2.使用CCCV充電器對Li+電池充電時的典型曲線
從圖1所示的USB電壓跌落指標可以看出，端口供電集線器的下游低功率端口電壓不具備足夠的余量，很難將電池充至4.2V。充電通路上存在的小量額外電阻會妨礙正常充電。
Li+和Li-poly電池應在合適的溫度下進行充電。制造商推薦的最高充電溫度通常為+45°C至+55°C之間，允許的最大放電溫度可再高出10°C左右。這些電池使用的材料，化學性質非?；顫?，假如電池溫度超過+70°C，會發生燃燒。鋰離子電池充電器應具備熱關斷電路，該電路監視電池溫度，假如電池溫度超過制造商推薦的最大充電溫度時，則終止充電。
鎳氫電池(NiMH)
NiMH電池比鋰離子電池要重一些，其能量密度也比鋰離子電池低。一直以來，NiMH電池比鋰離子電池要便宜，但是最近二者的價格差在縮小。NiMH電池具有標準尺寸，在大多數應用中可直接替換堿性電池。每節電池的標稱電壓為1.2V，充滿后會達到1.5V。
通常采用恒流源對NiMH電池充電。當達到充滿狀態時，會發生放熱化學反應，并導致電池溫度上升，電池端電壓降低。可檢測電池溫度上升速率或者負向電壓變化率，并用來終止充電。這些充電終止方法分別稱為dT/dt和-ΔV。充電速率非常低時，dT/dt和-ΔV不太明顯，很難精確檢測到。電池開始進入過充狀態時，dT/dt和-ΔV響應開始顯現。此時假如繼續充電，將損壞電池。
終止檢測在充電速率大于C/3時要比低充電速率時容易得多。溫度上升速率大約為1°C/分鐘，-ΔV響應也比低充電速率時更明顯?？斐浣Y束后，建議以更小的電流再充一段時間，以徹底充足電池(補足充電)。補足充電階段結束后，采用C/20或者C/30的涓充電流來補償自放電效應，使電池維持在充滿狀態。圖3所示為采用DS2712NiMH充電器對NiMH電池(事先已充了一部分電)進行充電的電池電壓曲線。在該圖中，上面一條曲線的數據在充電電流正在灌入電池時獲得，下面那條曲線的數據在切斷電流時測得。在DS2712中，該電壓差被用來區分NiMH電池和堿性電池。假如檢測到堿性電池，則DS2712不會對它進行充電。圖3.采用DS2712充電控制器對NiMH電池充電。
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