解讀ＵＳＢ－ＩＦ電池充電規(guī)范

魏　明

摘要：本文將對(duì)USB-IF(USB開發(fā)者論壇)最新頒布的電池充電規(guī)范v1.1版本做一個(gè)概要性的描述，并對(duì)相關(guān)測(cè)試規(guī)范做簡(jiǎn)單介紹，希望給于USB便攜設(shè)備產(chǎn)品廠商和用戶以參考和幫助。

關(guān)鍵詞：Battery charging；電池充電規(guī)范；USB充電器；USB兼容認(rèn)證測(cè)試

背景

2009年4月，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)(GSMA)聯(lián)合OTMP(手機(jī)開放組織聯(lián)盟)17家移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和制造商宣布實(shí)施跨行業(yè)的通用充電器標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)采納了USB-IF的micro-USB接口作為手機(jī)數(shù)據(jù)和充電的統(tǒng)一接口，并采納USB-IF的Battery Charging規(guī)范作為充電規(guī)范。USB-IF公布了1.1版的BaRery charging規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱為BC規(guī)范)，比起兩年前公布的1.0版本，這個(gè)新版本有了較大更新和補(bǔ)充。同時(shí)，與之配套的測(cè)試規(guī)范也正在制定中，預(yù)計(jì)將在年內(nèi)頒布和實(shí)施。屆時(shí)USB Battery Charging相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目將納入到USB兼容測(cè)試認(rèn)證中。

電池充電規(guī)范

原有USB2.0規(guī)范并沒有考慮到使用USB接口為便攜式設(shè)備的電池進(jìn)行充電的需求，而這樣的需求卻越來越多。BC規(guī)范要解決的就是這個(gè)問題，符合規(guī)范的設(shè)備和系統(tǒng)即向下兼容USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，又針對(duì)充電做出了特別的優(yōu)化。

實(shí)際上，BC規(guī)范的核心內(nèi)容就是引入了充電端口識(shí)別機(jī)制。一個(gè)符合BC規(guī)范的便攜式USB設(shè)備或OTG設(shè)備通過這套機(jī)制可以識(shí)別出是插到了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB下行接口(StandardDownstream Port)；一個(gè)USB專用充電器(usB Charger)；還是一個(gè)針對(duì)充電做過優(yōu)化的USB下行接口(chargingDownstream Port)。然后、這些設(shè)備將根據(jù)不同的情況，按照BC規(guī)范的要求來獲取不同的電流。

便攜式設(shè)備和三種USB充電接口

·Portable Device

Portable Defice(以下簡(jiǎn)稱PD)指電池供電的便攜式USB外設(shè)或者OTG設(shè)備，可以通過USB接口來為自身的電池充電。BC規(guī)范建議這些的PD應(yīng)該具備相應(yīng)的端口識(shí)別能力和對(duì)從USB總線獲取電流的控制能力。

·Standard Downstream Port

基本上，這個(gè)standardDownstream Port指符合現(xiàn)有USB2.0規(guī)范的主機(jī)(HOST)或集線器(HUB)上的下行USB接口。根據(jù)USB2.0規(guī)范，當(dāng)USB外設(shè)處于未連接(un-connect)或休眠(suspend)的狀態(tài)時(shí)，一個(gè)StandardDownstream Port可向該外設(shè)提供不超過2.SmA的平均電流：當(dāng)外設(shè)處于已經(jīng)連接并且未休眠的狀態(tài)時(shí)，電流可以至最大100mA；而當(dāng)外設(shè)已經(jīng)配置(configured)并且未休眠時(shí)，最大可從VBUS獲得500mA電流。

·Charging Downstream Port

Charging Downstream Port是即兼容USB2.0規(guī)范，又針對(duì)USB充電作出了優(yōu)化的下行USB接口，它可以是主機(jī)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(shí)別動(dòng)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(huì)出現(xiàn)這樣的產(chǎn)品，一臺(tái)筆記本電腦上1個(gè)ChargingDownstream Port和多個(gè)StandardDownstream Port同時(shí)存在，用戶可以將手機(jī)或其他PD連接到ChargingDownstream Port進(jìn)行快速充電、并且在充電的同時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。

·USB Charger

BC1.1規(guī)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(jìn)行短接，以配合PD的識(shí)別動(dòng)作，但它不具備和USB設(shè)備通信的能力。規(guī)范中對(duì)usBCharger的電壓電流輸出能力做出了較嚴(yán)格要求，以確保PD的安全。

USB端口識(shí)別機(jī)制

Bc規(guī)范的核心在于充電識(shí)別機(jī)制，通過這個(gè)機(jī)制，當(dāng)PD插入到USB接口時(shí)，PD將識(shí)別出所插入的USB接口類型。

當(dāng)PD插入到usB接口以后，它向D+上加載一個(gè)0.6V左右的電壓(VDP_SRC)，隨后，PD開始檢測(cè)D-線上的電壓，查看是否收到0.6V的電壓回應(yīng)(VDM_sRC)。因?yàn)镾tandard Downstream Port不會(huì)對(duì)D+上的0.6V信號(hào)作出任何回應(yīng)，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(bǔ)的檢測(cè)電路，當(dāng)它檢測(cè)到D+上有0.6V時(shí)，它將隨即向D-加載0.6V電壓，以回應(yīng)PD；而在USB Charger中，由于D+和D-是短接的，所以當(dāng)D+上被加載0.6V電壓時(shí)，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(huì)被回應(yīng)一個(gè)0.6v電壓。此后，PD先將D+(PD為高速或全速設(shè)備)或D-(PD為低速設(shè)備)拉高至邏輯高電平，然后通過檢測(cè)另外一根數(shù)據(jù)線的電壓來區(qū)分是Charging Downstream Port還是USB charger。因?yàn)镃harging Downstream Port在充電檢測(cè)時(shí)期，只回應(yīng)VDP SRC而不會(huì)回應(yīng)邏輯高電平，所以它將保持?jǐn)?shù)據(jù)線為低(圖2)。

由于USB charger內(nèi)部短接了D+和D-，如果一根數(shù)據(jù)線被拉高，那么另一根數(shù)據(jù)線也將變成高電平(圖3)。

通過以上的檢測(cè)機(jī)制，PD就可以識(shí)別出所插入的是何種USB端口。

無電電池充電機(jī)制

無電電池充電機(jī)制Dead BatteryProvision(以下簡(jiǎn)稱DBP)在BC1.1規(guī)范中是一個(gè)獨(dú)立的章節(jié)，DBP針對(duì)一個(gè)裝有無電或低電量電池的PD插入到Standard Downstream Port的情況進(jìn)行了新的規(guī)范，它實(shí)際上是對(duì)USB2.0規(guī)范的擴(kuò)展，確保Bc1.1規(guī)范向下兼容USB2.0規(guī)范。

USB2.0規(guī)范要求USB外設(shè)在未連接HOST時(shí)，從VBUS吸取的電流不能超過2.5mA。但有一些PD在啟動(dòng)時(shí)的數(shù)秒鐘內(nèi)需要消耗100mA以上的電流，如果這些便攜設(shè)備自身的電池電量不足或徹底沒電時(shí)，它將從vBUS上獲取這些電流。因此，當(dāng)這樣的

設(shè)備插入到USB端口時(shí)，可能無法啟動(dòng)；更多情況是，由于多數(shù)HOST或者HUB并不限制設(shè)備消耗的電流，因此設(shè)備將以大電流啟動(dòng)，雖然他們也可以正常工作，但是這將導(dǎo)致USB系統(tǒng)的不穩(wěn)定，同時(shí)這些設(shè)備也不能通過USB兼容認(rèn)證測(cè)試。

DBP就是針對(duì)這種情況，有條件地放寬了USB2.0的要求。DBP規(guī)定，使用電池的便攜式USB設(shè)備在插入(Attach)到USB端口到和主機(jī)連接(connect)這一時(shí)間段內(nèi)，最多可以從VBUS獲取100OmA的電流(USB2.0標(biāo)準(zhǔn)是2.5mA)，但是要滿足下列條件：

·PD安裝的電池應(yīng)該處于無電或低電量的狀態(tài)，即PD使用這樣的電池將不能開機(jī)：

·當(dāng)PD插入到USB端口以后并需要開始獲取大于2.5mA的電流時(shí)，PD須將D+拉高至0.5-0.7V，并一直保持到和主機(jī)連接(Connect)；

·這些從vBus獲取的電流應(yīng)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(gè)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(guī)范通過對(duì)原有USB2.0的擴(kuò)展和引入新的充電機(jī)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 ChargerAdapter以下簡(jiǎn)稱AcA)的概念。

隨著便攜式設(shè)備變得越來越小，多數(shù)的PD只有一個(gè)USB接口用于連接外設(shè)或者充電，但連接外設(shè)和充電不能同時(shí)進(jìn)行。例如。當(dāng)一部手機(jī)通過USB接口連接了外置耳麥的時(shí)候，就不能通過USB接口進(jìn)行充電了。ACA的用途就是讓PD可以同時(shí)連接USB外設(shè)和通過USB端口充電。

ACA具有三個(gè)端口：OTG Port用于連接便攜式設(shè)備(OTG Device)；Accessory Port用于連接USB外設(shè)：Charger Port用于連接USB充電端口，可以是一個(gè)USB專用充電器也可以是一個(gè)Charging Downstream Port(圖4)。試規(guī)范將分成三個(gè)部分：PortableDevice Compliance Plan；Charging PortCompliance Plan；ACA CompllancePlan。

其中，前兩個(gè)部分完成后，將被納入到現(xiàn)有的USB兼容測(cè)試證中去。也就是說，如果一個(gè)PD產(chǎn)品需要獲得USB兼容性認(rèn)證(使用USB Logo)，不僅要進(jìn)行傳統(tǒng)USB兼容測(cè)試，還要進(jìn)行BC部分的測(cè)試。

Portable Device Compliance Plan檢測(cè)PD是否滿足BC1.1規(guī)范，主要有兩個(gè)方面，一是針對(duì)BC1.1中的DBP部分，重點(diǎn)檢查當(dāng)一個(gè)安裝電池的PD插入一個(gè)Standard Downstream Port時(shí)，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(dāng)PD消耗的電流以大于2.5mA時(shí)，PD是否向D+上加載0.6v電壓；PD插入U(xiǎn)SB端口時(shí)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(cè)試PD的充電端口檢測(cè)機(jī)制。被測(cè)PD將被分別連接至Stand DownstreamPort，Charging Downstream Port和Dedicated Charging Port，同時(shí)，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(shí)序關(guān)系將被用來判斷該P(yáng)D是否符合BC1.1規(guī)范。

Charging Port Compliance Plan針對(duì)USB專用充電器以及ChargingDownstream Port進(jìn)行測(cè)試。主要包括對(duì)電壓，電流等輸出參數(shù)的測(cè)試，還包括上沖／下沖，短路／恢復(fù)等特定情況的測(cè)試。

需要指出的是，目前已經(jīng)頒布的中國(guó)手機(jī)充電器標(biāo)準(zhǔn)(YDT 1591-2006)與本測(cè)試的部分內(nèi)容相似，但也有所區(qū)別?？傮w上來講，YDT 1591-2006只針對(duì)USB充電器作出了規(guī)范，并在充電器絕緣、安規(guī)等方面給出了詳細(xì)的要求；而BC1.1規(guī)范引入了完善的充電機(jī)制并給出了相關(guān)的具體要求，它涉及充電電能的使用者(便攜式外設(shè))和充電電能的提供者(USB端口)兩個(gè)方面。而對(duì)于USB專用充電器部分，BC1.1中有專門定義和規(guī)范，并且對(duì)于USB專用充電器輸出能力、短路保護(hù)、標(biāo)識(shí)等提出更詳細(xì)的要求。

結(jié)語

USB是一個(gè)成功的接口標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)以億計(jì)的USB設(shè)備遍布于我們的生活中。BC1.1規(guī)范給予了USB標(biāo)準(zhǔn)以新的活力，它一方面解決了現(xiàn)有USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的不足，另一方面為消費(fèi)者提供了更大的便利。相信會(huì)有更多的USB便攜式設(shè)備使用USB接口進(jìn)行充電，也相信BC標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在不久的將來得到迅速推廣和普及。