解读USB-IF电池充电规范

作者：魏明 工信部通信计量中心USB兼容认证实验室   时间：2009-10   来源:电子产品世界

　　背景

　　2009年4月，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

　　 Battery Charging Specification Revision 1.0

　　 Battery Charging Specification Revision 1.1

　　 Universal Serial Bus Specification Revision 2.0

　　 Portable Device Compliance Plan Revision 0.8 Draft

　　 USB Charging Port Compliance Plan Revision 0.4 Draft

　　 移动通信手持机充电器及接口技术要求和测试方法 (YD/T1591-2006)