解读USBIF电池充电规范

2011-03-26 16:11:12来源: 互联网

全球移动通信系统协会(GSMA)联合OTMP(手机开放组织联盟)17家移动运营商和制造商宣布实施跨行业的通用充电器标准,此标准采纳了USB-IF的micro-USB接口作为手机数据和充电的统一接口,并采纳USB-IF的Battery Charging 规范作为充电规范。USB-IF公布了1.1版的Battery charging规范(以下简称为BC规范),比起两年前公布的1.0版本,这个新版本有了较大更新和补充。同时,与之配套的测试规范也正在制定中,预计将在年内颁布和实施。届时USB Battery Charging相关测试项目将纳入到USB兼容测试认证中。

电池充电规范

原有USB2.0规范并没有考虑到使用USB接口为便携式设备的电池进行充电的需求,而这样的需求却越来越多。BC规范要解决的就是这个问题,符合规范的设备和系统即向下兼容USB2.0标准,又针对充电做出了特别的优化。

实际上,BC规范的核心内容就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是插到了一个标准的USB下行接口(Standard Downstream Port );一个USB专用充电器(USB Charger);还是一个针对充电做过优化的USB下行接口(Charging Downstream Port)。然后,这些设备将根据不同的情况,按照BC规范的要求来获取不同的电流。

便携式设备和三种USB充电接口

● Portable Device

Portable Device(以下简称PD)指电池供电的便携式USB外设或者OTG设备,可以通过USB接口来为自身的电池充电。BC规范建议这些的PD应该具备相应的端口识别能力和对从USB总线获取电流的控制能力。

● Standard Downstream Port

基本上,这个Standard Downstream Port指符合现有USB2.0规范的主机(HOST)或集线器(HUB)上的下行USB接口。根据USB2.0规范,当USB外设处于未连接(un-connect)或休眠(suspend)的状态时,一个Standard Downstream Port可向该外设提供不超过2.5mA的平均电流;当外设处于已经连接并且未休眠的状态时,电流可以至最大100mA;而当外设已经配置(configured )并且未休眠时,最大可从VBUS获得500mA电流。

● Charging Downstream Port

Charging Downstream Port是即兼容USB2.0规范,又针对USB充电作出了优化的下行USB接口,它可以是主机上的USB接口,也可以是USB集线器上的。这些下行USB接口能配合Portable Device 完成充电端口识别动作,并提供最大至1.5A的供电能力,满足PD大电流快速充电的需求。

今后很有可能会出现这样的产品,一台笔记本电脑上1个Charging Downstream Port和多个Standard Downstream Port同时存在,用户可以将手机或其他PD连接到Charging Downstream Port进行快速充电,并且在充电的同时可以进行数据连接。

● USB Charger

BC1.1规范中定义的USB Charger与目前市面上可以买到的USB专用充电器类似。USB Charger通过USB口为PD提供充电所需电能,BC1.1要求将USB Charger中的D+和D-进行短接,以配合PD的识别动作,但它不具备和USB设备通信的能力。规范中对USB Charger的电压电流输出能力做出了较严格要求,以确保PD的安全。

USB端口识别机制

BC规范的核心在于充电识别机制,通过这个机制,当PD插入到USB接口时,PD将识别出所插入的USB接口类型。

当PD插入到USB接口以后,它向D+上加载一个0.6V左右的电压(VDP_SRC),随后,PD开始检测D-线上的电压,查看是否收到0.6V的电压回应(VDM_SRC)。因为Standard Downstream Port不会对D+上的0.6V信号作出任何回应,所以如果PD插入的是Standard Downstream Port,那么D-将保持为低电平(图1)。

在Charging Downstream Port中,采用了与PD类似并且与之互补的检测电路,当它检测到D+上有0.6V时,它将随即向D-加载0.6V电压,以回应PD;而在USB Charger中,由于D+和D-是短接的,所以当D+上被加载0.6V电压时,D-也变成了0.6V。

所以,PD插入到Charging Downstream Port 或是USB charger, 则D-线上会被回应一个0.6v电压。此后,PD先将D+(PD为高速或全速设备)或D-(PD为低速设备)拉高至逻辑高电平, 然后通过检测另外一根数据线的电压来区分是Charging Downstream Port 还是USB charger。

因为Charging Downstream Port在充电检测时期,只回应VDP_SRC而不会回应逻辑高电平,所以它将保持数据线为低(图2)。

由于USB charger内部短接了D+和D-,如果一根数据线被拉高,那么另一根数据线也将变成高电平(图3)。

通过以上的检测机制,PD就可以识别出所插入的是何种USB端口。

无电电池充电机制

无电电池充电机制Dead Battery Provision(以下简称DBP)在BC1.1规范中是一个独立的章节,DBP针对一个装有无电或低电量电池的PD插入到Standard Downstream Port的情况进行了新的规范,它实际上是对USB2.0规范的扩展,确保BC1.1规范向下兼容USB2.0规范。

USB2.0规范要求USB外设在未连接HOST时,从VBUS吸取的电流不能超过2.5mA。但有一些PD在启动时的数秒钟内需要消耗100mA以上的电流,如果这些便携设备自身的电池电量不足或彻底没电时,它将从VBUS上获取这些电流。因此,当这样的设备插入到USB端口时,可能无法启动;更多情况是,由于多数HOST或者HUB并不限制设备消耗的电流,因此设备将以大电流启动,虽然他们也可以正常工作,但是这将导致USB系统的不稳定,同时这些设备也不能通过USB兼容认证测试。

DBP就是针对这种情况,有条件地放宽了USB2.0的要求。DBP规定,使用电池的便携式USB设备在插入(Attach)到USB端口到和主机连接(Connect)这一时间段内,最多可以从VBUS获取100mA的电流(USB2.0标准是2.5mA),但是要满足下列条件:

● PD安装的电池应该处于无电或低电量的状态,即PD使用这样的电池将不能开机;

● 当PD插入到USB端口以后并需要开始获取大于2.5mA的电流时,PD须将D+拉高至0.5-0.7V,并一直保持到和主机连接(Connect);

● 这些从VBUS获取的电流应该用于PD给电池充电,从而使得PD最终能够连接(Connect)和枚举(Enumerate);

● 这个以大于2.5mA电流充电的过程不得超过45分钟。

充电电流比较

BC规范通过对原有USB2.0的扩展和引入新的充电机制,较大地提升了USB接口的充电能力,方便PD以大电流快速充电。表1给出了不同情况下,供给PD充电的最大电流。

辅助充电适配器(Accessory Charger Adapter)

BC1.1较之1.0版本,新引入了辅助充电适配器(Accessory Charger Adapter 以下简称ACA)的概念。

随着便携式设备变得越来越小,多数的PD只有一个USB接口用于连接外设或者充电, 但连接外设和充电不能同时进行。例如,当一部手机通过USB接口连接了外置耳麦的时候,就不能通过USB接口进行充电了。ACA的用途就是让PD可以同时连接USB外设和通过USB端口充电。

ACA具有三个端口:OTG Port用于连接便携式设备(OTG Device);Accessory Port 用于连接USB外设;Charger Port用于连接USB充电端口,可以是一个USB专用充电器也可以是一个Charging Downstream Port(图4)。

相关测试

目前,和BC1.1配套的测试规范正在由USB-IF Battery Charging小组制定中。根据BC1.1的内容,测试规范将分成三个部分:Portable Device Compliance Plan;Charging Port Compliance Plan;ACA Compliance Plan。

其中,前两个部分完成后,将被纳入到现有的USB兼容测试证中去。也就是说,如果一个PD产品需要获得USB兼容性认证(使用USB Logo),不仅要进行传统USB兼容测试,还要进行BC部分的测试。

Portable Device Compliance Plan检测PD是否满足BC1.1规范,主要有两个方面,一是针对BC1.1中的DBP部分,重点检查当一个安装电池的PD插入一个Standard Downstream Port时,PD从USB总线消耗的电流是否满足要求;消耗的电流是否只用于电池充电而不用于其他;当PD消耗的电流以大于2.5mA时,PD是否向D+上加载0.6v电压;PD插入USB端口时的冲击电流是否满足要求等等。另一方面,Portable Device Compliance Plan将着重测试PD的充电端口检测机制。被测PD将被分别连接至Stand Downstream Port,Charging Downstream Port和Dedicated Charging Port,同时,PD上的电压(VBUS)、电流( IBUS)、D+,D-将被记录下来,这些电压电流以及时序关系将被用来判断该PD是否符合BC1.1规范。

Charging Port Compliance Plan针对USB专用充电器以及Charging Downstream Port进行测试。主要包括对电压,电流等输出参数的测试,还包括上冲/下冲,短路/恢复等特定情况的测试。

需要指出的是,目前已经颁布的中国手机充电器标准(YDT 1591-2006)与本测试的部分内容相似,但也有所区别。总体上来讲,YDT 1591-2006只针对USB充电器作出了规范,并在充电器绝缘、安规等方面给出了详细的要求;而BC1.1规范引入了完善的充电机制并给出了相关的具体要求,它涉及充电电能的使用者(便携式外设)和充电电能的提供者(USB端口)两个方面。而对于USB专用充电器部分, BC1.1中有专门定义和规范,并且对于USB专用充电器输出能力、短路保护、标识等提出更详细的要求。

结语

USB是一个成功的接口标准,数以亿计的USB设备遍布于我们的生活中。BC1.1规范给予了USB标准以新的活力,它一方面解决了现有USB2.0标准的不足,另一方面为消费者提供了更大的便利。相信会有更多的USB便携式设备使用USB接口进行充电,也相信BC标准会在不久的将来得到迅速推广和普及。

参考文献

[1] Battery Charging Specifi

[1] [2]

关键字:解读  电池  充电  规范

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0326/article_6178.html
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