產官齊心推動　USB一統充電介面江山

本文將使用bq2407x系列元件說明如何簡化可攜式應用中，鋰離子電池充電系統設計的功能及規格，其中特別探討輸入電流限制、靜態電流、輸入電壓動態電源管理(V_IN-DPM)。此外，亦將觸及目前中國大陸實施新充電器規格的影響。

USB樹立輸入電流限制規範

在可攜式應用中，USB是一種常見的系統電力來源。根據USB規格，USB所提供的電源可分為高低功率兩種。低功率電源由不自行供電的USB集線器(Hub)所提供，這些裝置使用500毫安培(mA)的USB電源，並且必須能夠將電流供應給連接到集線器的所有裝置。低功率電源的最低運作電壓為4.4伏特，電流僅限於一個單位負載，該單位負載對於USB 1.x及2.0為100毫安培，至於超高速(Superspeed)USB(又稱USB 3.0)，單位負載可增加至150毫安培。

高功率電源是自行供電的集線器或電腦USB連接埠所提供，最低運作電壓為4.75伏特，對於USB 1.x及2.0，電流可供應至多五個單位負載，各個連接埠為500毫安培；若採用超高速USB，則可供應給六個單位負載，各個連接埠為900毫安培。所有裝置均預設為低功耗模式，但是可透過向主機列舉的方式要求進入高功率模式。

除了高低功率電源連接埠之外，許多裝置若要透過AC轉接器供電，也是透過同一個USB連接埠連接。因此，USB規範特別對AC轉接器接入USB連接埠進行規範。為確保安全，這些電源最多可提供1.5安培電流(透過USB纜線)。最後一個模式是暫停模式，在此模式下，裝置無法使用超過2.5毫安培的電流。USB裝置必須支援所有這四種模式，才能通過USB認證。

充電裝置的輸入電流限制不可超過USB規格，這表示設計人員必須了解資料表所列的規格限制，以確保現有限制在所有過程變化及溫度下不會超出USB限制。表1顯示bq2407x資料表中輸入電流限制規格的部分。設計人員須注意的是，該表所指出的上限是指USB規格的限制，其溫度、運作過程及輸入電壓均不可超過USB規格。但對元件而言，如果其實際規格剛好落在USB規格的上限值，通常是不可接受的，因為整個充電子系統中的某些零件會超過USB規格要求，如此一來，系統就會有不合USB規範的疑慮。

當主機需要裝置端進入USB暫停模式時，裝置端所接收到的輸入電流規格限制為2.5毫安培。若設計人員使用bq2407x元件進行設計，只要把EN1及EN2驅動到高位，就會使裝置端進入USB暫停模式。在此模式中，元件的靜態電流最大值降低為50微安培(μA)，若系統中其他電路是透過VBUS電源進行運作，設計人員便可享有許多設計餘裕。對於待機電流規格而言，這通常出現在電氣特性表中的靜態電流。表2顯示bq2407x的靜態電流。設計人員須注意，在USB暫停模式(EN1=EN2=HI)中，靜態電流上限為50微安培，此時V_BUS電壓為6伏特，遠低於USB暫停模式的2.5毫安培需求。

根據USB 2.0規格，在一個單位負載(100毫安培)下，可施加於纜線下游端的負載上限(CRPM)為10微法拉(μF)，此數值包含直接連接功能中，V_BUS線路兩端的旁路電容，以及裝置的穩壓器中出現的任何電容效應。為了測試這一點，USB應用者論壇(USB-IF)測試程序文件1.3版註明，由於USB規格對硬啟動條件允許高達10微法拉的負載上限，因此流入電流的上限值可設定為50微庫侖(μC)。這個上限值是以公式1計算而得：

這如何換算為電流限制？安培這個電流單位的定義，其實就是每秒流經的電荷庫侖數，這表示在啟動期間，超過電流上限的最大流入電流乘以超過電流上限的時間必須小於50微庫侖。上述說明可見於公式2：

I_{IN_AVG}表示流入時間內的平均輸入電流。充電器裝置的輸入電流限制必須避免從USB電源汲取的電流超出50微庫侖。圖1顯示以100毫安培模式啟動bq2407x的波形。請注意，突顯的區域表示可接受的過衝充電區域。bq2407x的輸入電容需求為1微法拉，超出了輸入電容限制。輸入電流限制讓設計人員毋須擔心系統電容量，因為USB電源不會察覺。

圖1　輸入電流啟動波形，EN1=EN2=GND，VBAT＜VWEAKBATT

bq2407x的輸入電容需求為1微法拉，因此要對此一系統進行硬啟動，需要5微庫倫的電荷。此啟動的系統電容為47微法拉，無法直接從USB連接埠啟動，須透過輸入電流限制，才能硬啟動系統電容進行充電。輸入電流閥值低於100毫安培，因此在初始啟動之後，不會超過USB100規格。

電壓偵測器輔助　低電量電池充電無虞

根據USB規格要求，從V_BUS電源汲取2.5毫安培以上的電流前，必須先對主機進行列舉，另外，USB規範也針對無電量、低電量或無電池狀況的規格訂定規範。無電量、低電量或無電池狀況的裝置，能夠在連接後汲取的電流最多為100微安培，時間最長可到100毫秒，系統藉此判斷是否能夠連接。如果無法以100毫安培驅動裝置長達100毫秒，便可能產生問題。

為解決這個問題，USB規格新增了電池充電的特定規範，其中規定如果無法以低於100毫安培的電流啟動並連接可攜式裝置，則這類使用無電量或低電量電池的裝置可從主機汲取100毫安培電流，先行將電池充電至低電量電池閥值。一旦達到低電量電池閥值，便須要立即啟動裝置並進行連接。超過低電量電池閥值之後，電池便須要達到高電量，以供應主機所需的電源，使主機啟動。每種應用都有各自定義的低電量電池閥值。採用bq2407x及簡易電壓偵測器的硬體能夠讓設計人員輕鬆達到此需求。圖2顯示低電量電池閥值狀況的簡易解決方案。

圖2　低電量電池偵測實作

因此，設計人員在進行系統設計時，必須搭配電壓偵測器，同時把偵測器設定成偵測低電量電池閥值應用。例如，TPS3836電壓偵測器便提供多種閥值以供使用。另外，某些電壓偵測器提供可調整閥值，發揮最佳彈性。對於這類應用，電壓偵測器的主要功能是先用低重設(V_IN＜V_THRESHOLD時降低)推挽輸出，以便能與主機輸出相互隔離。一旦主機啟動，便會停用電壓偵測器或上拉電感。主機輸出的下拉力必須大於EN1及EN2隔離電壓偵測器輸出的電阻。

圖3顯示此系統的實作波形。低電量電池閥值設定為3.3伏特。裝入3.5伏特電池時，便會被識別為良好的電池，而且電壓偵測器會將EN1及EN2拉高。向主機提出列舉後，主機會將EN2拉低，以設定電池充電器進入USB500模式，此一方法假設主機未啟動的情況下，主機的通用輸入/輸出(GPIO)為高阻抗。

圖3　低電量電池偵測範例

動態電源管理支援　電源失效限制跨越

USB規格中規定，裝置低電源連接埠的輸出在滿載時，通過所有集線器及纜線後，電壓最低可至4.4伏特。因此，有許多元件解決方案均導入輸入電壓型動態電源管理(V_BUS-DPM)技術。此迴圈可降低輸入電流限制，以避免輸入失效。圖4顯示不使用V_BUS-DPM防護的情況下，造成USB連接埠過載的結果。請注意，輸入電壓低於POWER GOOD閥值時，充電器會關閉，這會關閉來自電源的負載，並允許恢復輸入電壓，以開啟充電器。但如此的開關脈衝並非必要。

圖4　無VIN-DPM的輸入失效

V_BUS-DPM可限制輸入電流以避免脈衝，進而避免輸入電源失效。圖5顯示使用bq2407x充電器時，USB連接埠過載所造成的結果。V_BUS-DPM功能發揮作用，以降低輸入電流限制，並避免電源失效。

圖5　使用VIN-DPM的輸入過載防護

中國大陸大推USB

在行動裝置製造商與各國政府的推動下，USB已成為許多下一代可攜式裝置的標準充電介面。以中國大陸的情況為例，中國大陸政府已為在中國大陸境內銷售的充電器訂定適用標準，目的在於減少每年中國境內因更換一億支以上手機所導致的轉接器丟棄數量。這項新標準沿用許多USB的規範要求，並且規定轉接器電源線採用可插入交流電轉接器或標準USB連接埠的標準A類USB連接器。充電器必須提供介於300毫安培～1.8安培間的電流，額定電壓為5伏特±5%，但充電器必須以低於6伏特的電源運作，且下游電路亦不得以超過6伏特的電源運作。

目前市面上已有許多電池充電器晶片能夠符合中國大陸充電器標準的規範。正如同通用充電器一詞的字面意義所示，充電器晶片的輸入範圍必須足以接受許多不同的電源，而且不再能夠以單一特定轉接器進行設計。這些充電器必須能夠承受不慎插入12伏特汽車電源之類的較高電壓電源。以本文的範例充電器晶片為例，其寬輸入電壓範圍可為終端裝置防範高達28伏特的輸入暫態電壓。此一高輸入電壓範圍及過壓防護(OVP)功能可針對電池充電器及終端裝置，防範不正確或潛在的破壞性輸入電源。

V_BUS-DPM功能也有助於符合中國大陸充電器的標準規範。通用轉接器必須提供介於300毫安培～1.8安培之間的電流。使用沒有V_BUS-DPM的解決方案時，如果晶片設定為500毫安培輸入電流限制，便會使300毫安培轉接器失效。連接承受力較低的轉接器時，V_BUS-DPM功能可避免輸入失效。

USB大一統時代將臨　快速完成設計非夢事

展望未來，可攜式裝置透過USB介面供電、充電已經是不可避免的趨勢，特別是在行動裝置業者登高一呼，與各國政府的大力推動下，USB一統充電介面江山已是指日可待，因此，設計工程師必須掌握USB規範中關於供電電流、電壓等眾多參數的要求，方可快速完成相容於USB標準的充電子系統設計，並視不同市場情況做細部修改，以滿足不同法規的要求。

(本文作者任職於德州儀器)