在嵌入式系统中使用锂电池系列3-USB充电

By Toradex Andrija Stojkovic

 

欢迎阅读本博文，这里我们将向你介绍在嵌入式系统中锂电池的应用概况。本文是 4 篇系列文章的第三篇。

当下 USB 充电设备随处可见。如果你的嵌入式设备可以通过现有的充电头或者类似的配件来充电，那将变得非常有用。不是吗？USB 充电不仅仅是市场需求，这更是广为大众接受的。为嵌入式系统设计 USB 充电功能远比单纯的使用它来的复杂。由于不同的标准存在，很难简单地概览这种技术。所有最新地标准必须向下兼容，这会更加复杂。 USB 最初地出现并不是为了充电。根据电池充电 BC 规定，需要达到 5V 7.5W 的输出。在较新的功率传输标准中，电池还需要能够为笔记本和显示器提供 100W 的供电输出，电压也需要提升至 20V。

我们首先来看一下 BC 1.2 标准。其中有不同的 USB 电源状态和接口定义，例如 Charging Downstream Port (CDP)、Dedicated Charging Port (DCP) 和 Standard Downstream Port (SDP)。系统层面的问题是，我们的应用是否需要通过 USB 接口传输数据。下一个问题是，我们是否想使用墙充充电头、电脑上一般的 USB 接口或者专门的充电接口对设备充电。Dedicated Charging Port 无法传输数据，并提供最高 1.5A 的充电电流。Standard Downstream Port 定义了三个级别的电流，休眠模式 2.5 mA，正常连接 100 mA 以及高电流模式 500 mA。这需要正确的枚举。所有的接口都可以通过充电电路识别。因此，需要使用芯片方案来支持所有这些模式。这些接口在硬件电路上也各不相同。例如，DCP 的数据接口 (D+/D-) 通过较小的电阻（<200 Ohm））短接。其他接口在数据引脚上有下拉电阻，并且 CDP 需要一个智能切换电路实现数据通讯和大电流充电。

USB 接口	缩写	枚举	应用案例
Dedicated Charging Port	DCP	NO	USB 墙充充电头
Standard Downstream Port	SDP	YES	电脑上一般的 USB 接口
Charging Downstream Port	CDP	YES	电脑上大电流充电 USB 接口，带有闪电标志

如果我们想要使用 USB 充电功能，对于实际的嵌入式系统这又意味着什么呢？我们的充电方案需要能够识别 USB 充电器。根据功率传输协议，输入电压可以设定为 5V 到 20V 之间。这会使寻找合适的方案变得困难。有几种可用的方案，如使用分离的降压和升压转换器，或者降压-升压组合的充电方式，这有点类似于 H 桥设计。于是就进入了我们本系列博文的最后篇章，届时我将介绍在我们的 Colibri iMX7 计算机模块上使用锂电池的嵌入式方案。对于新的设计，我建议使用 USB type C 线缆。但是接下来我还是会讨论使用 micro-USB 接口老的 BC1.2 标准。我希望通过这部分内容能够使您知道，USB 不仅仅是将线缆插入连接器而已。对于第一次使用 USB 充电，您还需要做更多的了解。

https://www.intersil.com/content/dam/Intersil/whitepapers/power/usb-c-buck-boost-battery-charging.pdf
http://www.usb.org/developers/powerdelivery/
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5801