USB充电及其线损补偿

一、关于USB充电的一些背景知识

很多开关电源方案供应商在推荐其电源方案时会把USB电源方案单独归类,这是为何呢?在我们的直觉之中,USB端口的电源不就是提供一个稳定的5伏输出而已吗?实际上,USB端口的电源具有一定的特殊性,主要体现在下几个方面:

1、首先,USB接口是一个对外的接口,所以需要更多的保护及错误诊断措施,保护方式分电源输出端的过压、过流、短路(短路至电池正极或负极,Short to Battery/GND)的保护和对数据线的ESD及短路至电源或电池(Short to VBUS/Battery)的保护等;

2、其次,USB接口的服务对像是各式各样的便携设备,为了更好的服务和兼容不同的外设,USB协会制定了一套USB充电协议,这就是著名的BC1.2协议

3、此外,USB充电线也许会很长(一米甚至更长),所以充电线上会损失较大的电压,到达终端设备的USB接口处电压也许会不足,所以在设计时需要考虑线损补偿

1、何为BC1.2?

BC是Battery Charging的简写,这是隶属于USB-IF的一个工作小组。BC工作小组的诞生是为了规范便携设备的电池充电的需求,因为此前的USB2.0协议(于2000年颁布)没有预料到便携外设特别是智能手机的发展会如此迅猛。USB2.0协议规定外设从USB充电器抽取电流的最大值为500mA,具体规定如下:

1、外设默认只能抽取100mA的电流;

2、外设只有在与主机进行功率协商(一系列的握手与配置)成功之后才能抽取最大为500mA的电流;

3、当总线进入“挂起”模式(经过一段时间的延迟后,总线上没有数据活动),允许外设吸取的最大电流将被限制至2.5mA。也就说如果便携设备的电池完全耗尽,尝试使用标准的USB端口进行充电时,只能靠2.5mA的电流缓缓的充电直至被系统唤醒。

现在的矛盾是要么最大500mA的电流限制无法满足日益增长的电池容量对快速充电的需求,要么没有电流限制的野蛮充电方案隐患重重(很多厂家并没有严格遵守USB协议的规定)。好的充电方案必须知道如何通知便携设备从USB端口吸收多少电流是安全的且对超出预期的事件需要有相应的措施。如果吸收电流超过预期,USB端口将如何响应?将端口完全关断,并一直保持关断状态,直到外设拔出后再重新插入还是触发USB系统复位,重新启动枚举过程等等。BC1.2协议就是在这样中的需求下诞生的,它的目的是统一和规范USB充电方式,成熟版本是发布于2010年12月的1.2版本,所以约定俗成的称作BC1.2协议

2USB充电模式

BC规范的核心内容是引入了充电端口识别机制。一个符合BC规范的便携式USB设备或OTG设备通过这套机制可以识别出主机的USB端口类型:

1)、标准的USB下行接口(Standard Downstream Port,SDP );

2)、USB专用充电器(Dedicated Charging Port,DCP);

3)、针对充电做过优化的USB下行接口(Charging Downstream Port,CDP);

然后,便携设备将根据不同的端口类型,按照BC规范的要求来获取不同的电流。

表1.1、SDP,CDP和DCP的对比

SDP就是USB2.0协议中定义的普通USB接口,CDP是对SDP的优化将最大电流提升到了1.5A;DCP是专门的USB充电器,无数据通信,最大电流被限制为1.5A。

3USB充电端口的识别机制

图1.1 USB物理接口

当USB外设(Device)插入到主机(Host)的USB端口时,VBUS先于数据线(D+/D-)被接触(如图1.1),所以由VBUS事件触发Device启动检测进程。

图1.2 USB端口侦测步骤分解

端口检测的目的是为了识别Host的USB端口是什么类型的端口,所以整个检测过程是由Device主导(发起询问),Host配合(响应咨询)。端口检测的具体步骤及每个步骤的内容如图1.2所示。USB端口类型的识别机制如图1.3所示,本文只讨论此三种常见模式(SDP,CDPDCP),如需了解更多细节及更多模式请阅读BC1.2协议原文。

图1.3 USB充电模式检测

此处穿插一个关于USB通讯速率侦测的小知识点,图1.3提示针对Low Speed的USB设备来说逻辑高电平由D-引入,这是由于USB的速率侦测(Low Speed和Full Speed)是通过D+或D-上加上拉电阻实现的,如图1.4。

图1.4 由D+/D-的上拉电阻区分Full-Speed和Low-Speed

Full-Speed和High-Speed都是通过D+上拉至逻辑高电平,它们两者的区分是通过进一步操作D+/D-产生一系列的高低电平被称作Chirp(唧唧)信号来区分的,此处不作展开,有兴趣请阅读USB2.0协议原文。

4、私有USB专用充电器端口的识别机制

虽然BC1.2已经定义了关于USB专用充电器的DCP协议,但是一些大的手机制造商出于各种利益权衡发展了私有的USB专用充电器协议,当然原理也是基于DCP协议的,只是分配给D+/D-不同的电压值进行区分(被称作Divider Mode)。

图1.5 USB充电Divider Mode

主流的几种私有USB专用充电协议如下:

APPLE:

SAMSUNG:

Samsung 设备使用多种充电方法。在某些 Samsung 设备(Samsung Galaxy 平板电脑)的专用充电方法中,D+和D-引脚偏置为相同的电位(~1.2 V)。Samsung Galaxy S系列(S3 和 S4)采用了 标准的DCP模式。

其它专用的充电器:

除上述专用充电器外,市场上还有其它专用的充电器,如Sony、Blackberry 等旧型设备使用的充电器。

图1.6 SONY充电的端接电阻配置

面对如此繁杂的端口电阻的配置,我们只需要选择一款合适的USB充电管理芯片,剩下的事情交由它来处理,一般无需系统介入,芯片会在硬件上自动进行枚举。只是在选择芯片时,我们需要特别关注它对BC1.2三大充电模式(SDP,CDP,DCP)及主流USB便携设备的私有协议的兼容能力。

三、应对线损的充电电压补偿

充电电流越大,在USB充电线上所引起的压降也越发严重,特别是在车载设备上的问题日益凸显。车载设备如汽车娱乐系统的USB有时会从中控台通过长度相当可观的线束引至扶手箱处,这根USB充电线有时会长达两米,再加上用户的充电线整体长度可能会超过三米。实测某条正规的USB充电线(长度0.4m)的线阻为0.15Ω,当充电电流为1A时,线上压降将达到0.5V(1A*0.15Ω*2=0.3V),所以到达终端的电压只剩4.7伏了,如果充电线长度更长甚至充电电流更大时,情况将会更加糟糕。

图1.7 USB充电线的压降损耗

应对此类问题,带线损补偿的USB充电电源开始流行。所谓线损补偿是实时监控充电电流的变化,然后实时调整输出电压以达到抵消或弥补充电线上的压降的目的。如果监控到充电电流增加,则立刻提升充电电压,反之降低输出电压。

图1.8 USB充电线的压降损耗补偿原理

线损补偿的原理如图1.8所示,首先在USB供电线中串入一粒采样电阻Rsense,Rsense的阻值必须足够小(如0.01Ω),所以需要一个放大电路放大Rsense上的压降得到Vsense,然后Vsense通过R3去改变FB管脚的电压达到“欺骗”开关电源的目的。线损补偿的效果如图1.9示意。当然,这种补偿措施的局限性也是很明显的,充电线的线阻必须已知且固定,否则可能会引起过调或欠调的问题。

图1.9 USB充电线的压降损耗补偿效果示意

在设计中,如果必须采取线损补偿的话,将会有几个方案的选择:

1、在成本不敏感或可靠性要求高的时候,选择一款具备线损补偿功能的集成电路是最好的选择;

2、集成电路方案有时会捆绑销售,你不得不为一些你暂时或并不需要的功能而买单。所以当成本敏感时,可以按照图1.8的示意使用运算放大器直接搭一个线损补偿电路出来;

3、即使使用运算放大器还是感觉代价高的话,可以进一步简化成图1.10的分离元件的方案。

图1.10 低成本的USB充电线的压降损耗补偿电路

四、USB充电技术的未来

毋庸置疑,快充(Quick Chaging)是趋势。本质上,快充就是更快的功率传递,功率是电压和电流的乘积(P=V*I)。

显然,在不断增大充电电流的路上,我们已经触碰到了天花板。一则充电线上的压降损耗的影响日益凸显;二则,USB端口及充电线的耐流值也已接近极限(一般为2A左右),过大的电流负荷会引发发热甚至燃烧的严重后果。

图1.11 通过提升充电电压达到快充的目的

虽然在增加电流的道路上遭遇了瓶颈,但是人们很自然的想到了通过提升电压来提供更大功率的传输,图1.1是以手机充电为例的高压充电模式。2012年7月,第一版关于USB充电的协议发布,命名为Universal Serial Bus Power Delivery Specification,简称USB PD。USB PD明确了通过提高USB电压达到更大功率传输的充电方式,根据USB PD的规划(图1.2),USB最大将可提供100W的功率传输。同时,USB PD根据不同的功率等级把功率传输分成了五个等级(Profile 1~5),如图1.13。

图1.12 USB PD的Road Map


图1.13 USB PD的Profile

但是USB PD并非是强制性协议,所以有能力的手机厂家纷纷推出了其私有快充协议,一番群雄逐鹿的嘈杂景象,而USB PD协议则如同周天子的诏书一直被供着但未见执行。市场上的私有快充协议基本上是基于高通QC2.0/3.0和MTK PUMP EXPRESS的技术,然后套个马甲。它们在原理上大同小异,首先从5V开始充电(为了向下兼容),然后充电器和手机互相识别,在电流最高2A的情况下提高充电器到手机USB端口的电压(QC2.0分5V/9V/12V几档,QC3.0以200mV增量为一档,提供从3.6V到20V电压的灵活选择)。高通和MTK的快充技术的主要区别是充电器和手机的握手识别方面,高通QC协议是基于D+/D-上的分压电阻来识别的,MTK是通过电流波动来识别的。

随着USB3.1协议及新的USB TYPE C连接器的出现,群雄逐鹿的局面有望被结束,USB Type C连接器的主要优点如下:

1、集充电、数据传输及视频输出于一身,简化了设计及减小了机械尺寸;

图1.14 USB TYPE C接口示意图

2、支持USB3.1,最大速率可达10Gbps;

3、支持USB PD,最大传输功率可达100W。不同于目前市面上的快充技术,USB Type C接口有专门的数据线“CC”来负责两边的功率协商。

图1.15 USB TYPE C接口对USB PD协议的支持

4、支持功率的双向传输,也就是说两台笔记本之间可以互相给对方进行充电;

5、不区分方向,正反都可插

图1.16 USB TYPE C接口定义

参考文献:

1、Battery Charging Specification V1.2 December 7,2010

2、Universal Serial Bus Power Delivery Specification V1.2 June 26,2013

3、USB 电池充电规范1.2版概述及适配器仿真器的重要性

发布于 2017-03-06

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