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为便携设备可靠供电拓宽USB功能

为便携设备可靠供电拓宽USB功能

点击数:7903 次   录入时间:03-04 11:59:53   整理:http://www.55dianzi.com   接口电路

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    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。

    结束语

    以上开的开发拓宽USB接口的电源功能与从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电源功能为数字化便携式设备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,是要根据各便携式设备实际情况而定。



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    (2)图3所示, IC2是一款升压型DC-DC转换器,IC2芯片 MAX1797可将电池电压Vbatt升压至5V(Vout).并且Vout能够向负载输出的450MA电流。

     

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    其低电池检测电路和真正的关断能力将保护Li+电池不被过放电。通过断开电池和输出来实现,这种“真正”的关断功能将电池降低至2uA。低电池电压门限(LB1引脚电平)由Vbatt和GND之间的外部电阻分压器R3与R4(分压器的中点连接至LBI引脚)来设定。将低电池电压输出引脚LBO 连接至关断引脚SHDN。则在低电池电压条件下,导致IC2与负载断开。

    当低电池检测电路将路能低电压电池与负载断开时,Li+电池的内阻将使IC2容易形成振荡。这是因为当电池内阻引起的压降消失后,电池电压将增加,使IC2再次打开,例如0.5Ω内阻的Li+电池在源出500MA的电流时,在其内阻上将产生250MV的压降。当IC2电路断开负载时,电池电流将降为0,电池电压会升高250MV。为此,通过低电池在检测电路引入滞回,LBO端的N沟道FETMOS管将消除这种振荡。

    图3电路的低电池门限电压设置为2.9V。当Vbatt降至2.9V以下时,LBO打开(电平提高),将SHDN拉高,FETMOS管导通,在FETMOS管导通的情况下,电阻R5(1.3MΩ)和R4(249KΩ)组成并联电路,将电池的开通电压门限(引脚LB1)提升至3.3V,从而消除了振荡。

     

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    (3)图4所示,IC3 芯片MAX1837 为DC-DC降压型转换器,能将5V输出降压至3.3V,并且能够向负载输出高达250MA的电流,效率超过90%。

     

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    从以上图2、3、4 可以看出,在通过USB端口提供电源时,与各芯片MAX1811 MAX1797 MAX1837配合就能为便携式设备产生5V初3.3V的电源。

    需要说明的是USB电源:

    * 由于USB电缆和连接器上的电压降,USB设备必须能够工作至4.35V

    * USB设备必须保证其最大工作电流低于100MA,直到通过软件被配置为高功率为止。

    4、简单的USB电源和交流适配器的充电配置

    4.1 配置方案

    对一些最基本的设备负载来说,不需要用软件开销来管理和优化USB电源的使用。如果设备负载电流限制在100mA以内,那末都可以用与USB接口相连的主机和自带电源的集线器或总线驱动的集线器来驱动。据此,这类简单的USB和交流适配器充电设计,可采用图5所示的一个基本充电器加一个稳压器的配置。

     

    

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    4.2 方案分析

    图5所示电路中,设备(系统)负载何时与USB电源或交流适配器连接? USB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USB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设备。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,则负载设备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功能。

     

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    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用来阻断系统负载供电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,用电池向负载设备供电。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。

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