解讀USB-IF電池充電規范
發布時間：2009-10-27 09:22
發布者：李寬
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作者：魏明 工信部通信計量中心USB兼容認證實驗室 時間：2009-10 來源:電子產品世界 背景 2009年4月，全球移動通信系統協會(GSMA)聯合OTMP(手機開放組織聯盟)17家移動運營商和制造商宣布實施跨行業的通用充電器標準，此標準采納了USB-IF的micro-USB接口作為手機數據和充電的統一接口，并采納USB-IF的Battery Charging 規范作為充電規范。USB-IF公布了1.1版的Battery charging規范(以下簡稱為BC規范)，比起兩年前公布的1.0版本，這個新版本有了較大更新和補充。同時，與之配套的測試規范也正在制定中，預計將在年內頒布和實施。屆時USB Battery Charging相關測試項目將納入到USB兼容測試認證中。 電池充電規范 原有USB2.0規范并沒有考慮到使用USB接口為便攜式設備的電池進行充電的需求，而這樣的需求卻越來越多。BC規范要解決的就是這個問題，符合規范的設備和系統即向下兼容USB2.0標準，又針對充電做出了特別的優化。 實際上，BC規范的核心內容就是引入了充電端口識別機制。一個符合BC規范的便攜式USB設備或OTG設備通過這套機制可以識別出是插到了一個標準的USB下行接口(Standard Downstream Port );一個USB專用充電器(USB Charger);還是一個針對充電做過優化的USB下行接口(Charging Downstream Port)。然后，這些設備將根據不同的情況，按照BC規范的要求來獲取不同的電流。 便攜式設備和三種USB充電接口 ● Portable Device Portable Device(以下簡稱PD)指電池供電的便攜式USB外設或者OTG設備，可以通過USB接口來為自身的電池充電。BC規范建議這些的PD應該具備相應的端口識別能力和對從USB總線獲取電流的控制能力。 ● Standard Downstream Port 基本上，這個Standard Downstream Port指符合現有USB2.0規范的主機(HOST)或集線器(HUB)上的下行USB接口。根據USB2.0規范，當USB外設處于未連接(un-connect)或休眠(suspend)的狀態時，一個Standard Downstream Port可向該外設提供不超過2.5mA的平均電流;當外設處于已經連接并且未休眠的狀態時，電流可以至最大100mA;而當外設已經配置 (configured )并且未休眠時，最大可從VBUS獲得500mA電流。 ● Charging Downstream Port Charging Downstream Port是即兼容USB2.0規范，又針對USB充電作出了優化的下行USB接口，它可以是主機上的USB接口，也可以是USB集線器上的。這些下行USB接口能配合Portable Device 完成充電端口識別動作，并提供最大至1.5A的供電能力，滿足PD大電流快速充電的需求。 今后很有可能會出現這樣的產品，一臺筆記本電腦上1個Charging Downstream Port和多個Standard Downstream Port同時存在，用戶可以將手機或其他PD連接到Charging Downstream Port進行快速充電，并且在充電的同時可以進行數據連接。 ● USB Charger BC1.1規范中定義的USB Charger與目前市面上可以買到的USB專用充電器類似。USB Charger通過USB口為PD提供充電所需電能，BC1.1要求將USB Charger中的D+和D-進行短接，以配合PD的識別動作，但它不具備和USB設備通信的能力。規范中對USB Charger的電壓電流輸出能力做出了較嚴格要求，以確保PD的安全。 USB端口識別機制 BC規范的核心在于充電識別機制，通過這個機制，當PD插入到USB接口時，PD將識別出所插入的USB接口類型。 當PD插入到USB接口以后，它向D+上加載一個0.6V左右的電壓(VDP_SRC)，隨后，PD開始檢測D-線上的電壓，查看是否收到0.6V的電壓回應 (VDM_SRC)。因為Standard Downstream Port不會對D+上的0.6V信號作出任何回應，所以如果PD插入的是Standard Downstream Port,那么D-將保持為低電平(圖1)。 
在Charging Downstream Port中，采用了與PD類似并且與之互補的檢測電路，當它檢測到D+上有0.6V時，它將隨即向D-加載0.6V電壓，以回應PD;而在USB Charger中，由于D+和D-是短接的，所以當D+上被加載0.6V電壓時，D-也變成了0.6V。所以，PD插入到Charging Downstream Port 或是USB charger, 則D-線上會被回應一個0.6v電壓。此后，PD先將D+(PD為高速或全速設備)或D-(PD為低速設備)拉高至邏輯高電平， 然后通過檢測另外一根數據線的電壓來區分是Charging Downstream Port 還是USB charger。因為Charging Downstream Port在充電檢測時期，只回應VDP_SRC而不會回應邏輯高電平，所以它將保持數據線為低(圖2)。
由于USB charger內部短接了D+和D-，如果一根數據線被拉高，那么另一根數據線也將變成高電平(圖3)。
通過以上的檢測機制，PD就可以識別出所插入的是何種USB端口。 無電電池充電機制 無電電池充電機制Dead Battery Provision(以下簡稱DBP)在BC1.1規范中是一個獨立的章節，DBP針對一個裝有無電或低電量電池的PD插入到Standard Downstream Port的情況進行了新的規范，它實際上是對USB2.0規范的擴展，確保BC1.1規范向下兼容USB2.0規范。 USB2.0規范要求USB外設在未連接HOST時，從VBUS吸取的電流不能超過2.5mA。但有一些PD在啟動時的數秒鐘內需要消耗100mA以上的電流，如果這些便攜設備自身的電池電量不足或徹底沒電時，它將從VBUS上獲取這些電流。因此，當這樣的設備插入到USB端口時，可能無法啟動;更多情況是，由于多數HOST或者HUB并不限制設備消耗的電流，因此設備將以大電流啟動，雖然他們也可以正常工作，但是這將導致USB系統的不穩定，同時這些設備也不能通過USB兼容認證測試。 DBP就是針對這種情況，有條件地放寬了USB2.0的要求。DBP規定，使用電池的便攜式USB設備在插入(Attach)到USB端口到和主機連接(Connect)這一時間段內，最多可以從VBUS獲取100mA的電流(USB2.0標準是2.5mA)，但是要滿足下列條件： ● PD安裝的電池應該處于無電或低電量的狀態，即PD使用這樣的電池將不能開機; ● 當PD插入到USB端口以后并需要開始獲取大于2.5mA的電流時，PD須將D+拉高至0.5-0.7V,并一直保持到和主機連接(Connect); ● 這些從VBUS獲取的電流應該用于PD給電池充電，從而使得PD最終能夠連接(Connect)和枚舉(Enumerate); ● 這個以大于2.5mA電流充電的過程不得超過45分鐘。 充電電流比較 BC規范通過對原有USB2.0的擴展和引入新的充電機制，較大地提升了USB接口的充電能力，方便PD以大電流快速充電。表1給出了不同情況下，供給PD充電的最大電流。 輔助充電適配器(Accessory Charger Adapter) BC1.1較之1.0版本，新引入了輔助充電適配器(Accessory Charger Adapter 以下簡稱ACA)的概念。 隨著便攜式設備變得越來越小，多數的PD只有一個USB接口用于連接外設或者充電, 但連接外設和充電不能同時進行。例如，當一部手機通過USB接口連接了外置耳麥的時候，就不能通過USB接口進行充電了。ACA的用途就是讓PD可以同時連接USB外設和通過USB端口充電。 ACA具有三個端口：OTG Port用于連接便攜式設備(OTG Device);Accessory Port 用于連接USB外設;Charger Port用于連接USB充電端口，可以是一個USB專用充電器也可以是一個Charging Downstream Port(圖4)。
相關測試 目前，和BC1.1配套的測試規范正在由USB-IF Battery Charging小組制定中。根據BC1.1的內容，測試規范將分成三個部分：Portable Device Compliance Plan;Charging Port Compliance Plan;ACA Compliance Plan。 其中，前兩個部分完成后，將被納入到現有的USB兼容測試證中去。也就是說，如果一個PD產品需要獲得USB兼容性認證(使用USB Logo)，不僅要進行傳統USB兼容測試，還要進行BC部分的測試。 Portable Device Compliance Plan檢測PD是否滿足BC1.1規范，主要有兩個方面，一是針對BC1.1中的DBP部分，重點檢查當一個安裝電池的PD插入一個Standard Downstream Port時，PD從USB總線消耗的電流是否滿足要求;消耗的電流是否只用于電池充電而不用于其他;當PD消耗的電流以大于2.5mA時，PD是否向D+上加載0.6v電壓  D插入USB端口時的沖擊電流是否滿足要求等等。另一方面，Portable Device Compliance Plan將著重測試PD的充電端口檢測機制。被測PD將被分別連接至Stand Downstream Port，Charging Downstream Port和Dedicated Charging Port，同時，PD上的電壓(VBUS)、電流( IBUS)、D+，D-將被記錄下來，這些電壓電流以及時序關系將被用來判斷該PD是否符合BC1.1規范。Charging Port Compliance Plan針對USB專用充電器以及Charging Downstream Port進行測試。主要包括對電壓，電流等輸出參數的測試，還包括上沖/下沖，短路/恢復等特定情況的測試。 需要指出的是，目前已經頒布的中國手機充電器標準(YDT 1591-2006)與本測試的部分內容相似，但也有所區別�？傮w上來講，YDT 1591-2006只針對USB充電器作出了規范，并在充電器絕緣、安規等方面給出了詳細的要求;而BC1.1規范引入了完善的充電機制并給出了相關的具體要求，它涉及充電電能的使用者(便攜式外設)和充電電能的提供者(USB端口)兩個方面。而對于USB專用充電器部分， BC1.1中有專門定義和規范，并且對于USB專用充電器輸出能力、短路保護、標識等提出更詳細的要求。 結語 USB是一個成功的接口標準，數以億計的USB設備遍布于我們的生活中。BC1.1規范給予了USB標準以新的活力，它一方面解決了現有USB2.0標準的不足，另一方面為消費者提供了更大的便利。相信會有更多的USB便攜式設備使用USB接口進行充電，也相信BC標準會在不久的將來得到迅速推廣和普及。 參考文獻 [1] Battery Charging Specification Revision 1.0 [S] [2] Battery Charging Specification Revision 1.1[S] [3] Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 [S] [4] Portable Device Compliance Plan Revision 0.8 Draft[S] [5] USB Charging Port Compliance Plan Revision 0.4 Draft[S] [6] 移動通信手持機充電器及接口技術要求和測試方法 (YD/T1591-2006)[S] |
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