Зарядка акумулятора за допомогою usb роль детектора типу зарядного пристрою

Мухамед Ісмаїл (Maxim Integrated)

З використанням інтегральних мікросхем детектора заряду роз'єм USB стає універсальним компонентом для портативних пристроїв. Дотримання специфікації BC1.2 (BC1.2 - Battery Charging Revision 1.2 - специфікація зарядного пристрою акумуляторної батареї варіант 1.2) забезпечує ясність і простоту реалізації технології. Велика кількість можливостей інтегральних схем детектора заряду робить їх надзвичайно привабливими при розробці портативної електроніки. Компанія Maxim Integrated пропонує багатофункціональні детектори зарядного пристрою MAX14576 / MAX14636 / MAX14637 і MAX14656.

Детектор зарядного пристрою і порти в BC1.2

Чому комітети по стандартам і уряд вибрав для уніфікації USB роз'єм і протоколи, викладені в BC1.2? Створення спільного стандарту дозволить домогтися сумісності, оптимальної продуктивності, безпеки будь-яких пристроїв, що використовують USB. Специфікація обумовлює, скільки потужності може передати будь-який порт, а також вказує раціональний шлях визначення кількості переданої енергії для портативних пристроїв. Таким чином, розробник будь-якого портативного обладнання може забезпечити сумісність з якомога більшою кількістю USB. Виробники будуть знати, як найкращим чином застосовувати USB, і можуть передбачити значення напруг і струмів, що додаються до USB. З огляду на ці дані, можна здійснювати проектування без ризику електричних перевантажень. Нарешті, зростаюче значення струму заряду, використовуваного пристроєм, значно скорочує необхідну для процесу заряду час. Отже, детектор зарядного пристрою - важлива особливість, яка повинна бути закладена у всіх заряджаються пристроях, що використовують порт USB.

Перш ніж обговорювати протокол виявлення пристроїв, важливо знати відмінності серед існуючих специфікацій USB. Найбільш поширена специфікація USB 2.0 підтримує струм заряду не більше 500 мА. ВС1.2 обумовлює три різних типи портів: стандартний порт для обміну (SDP - standard downstream port), виділений порт для заряду (DCP - dedicated charging port) і порт для обміну і заряду (CDP - charging downstream port).

SDP - класичний USB-порт. На додаток до комунікації USB забезпечує струм 100 мА для периферійних підключених пристроїв, причому струм може бути збільшений до 500 мА. Більшість портів, як правило, не мають цієї межі струму, і великі струми не гарантовано. DCP не підтримує обмін даними, але забезпечує зарядний струм 500 мА без розпізнавання порту. CDP підтримує обмін даними USB і високий струм заряду; присутня внутрішня схема, яка перемикається на етапі визначення заряджається пристрою. Деякі виробники електроніки розробили свої власні схеми ідентифікації зарядного пристрою на додаток до типів USB-портів, зазначених у специфікації. Варіації цих схем додають ще один шар технології виявлення зарядного пристрою, який не можна упускати з виду.

Процес визначення зарядного пристрою

Процес визначення зарядного пристрою, згідно специфікації BC1.2, складається з п'яти базових етапів:

Мал. 1. Контакти роз'єму USB і виявлення
даних з'єднання

Визначення VBUS. Для забезпечення правильного узгодження будь-яких можливих підключених пристроїв і USB-порту, висновки VBUS і GND на роз'ємі повинні бути довшими, ніж висновки D + і D-. Це гарантує необхідну послідовність з'єднання контактів (див. Малюнок 1). Таким чином, перед тим, як відбудеться розпізнавання, пристрій повинен спочатку проконтролювати наявність VBUS.

Виявлення даних з'єднання (DCD - data contact detection). Як тільки валідація VBUS завершена, портативного пристрою (ПУ) необхідно гарантувати з'єднання контактів даних перед тим, як почнеться виявлення. ПУ може неправильно визначити наявність зарядного пристрою, якщо рішення було передчасним, тобто до утворення з'єднання контактів даних.

Для виконання DCD периферійний пристрій має підключити джерело струму величиною від 7 до 13 мкА (опорна напруга 3,3 В) до D + і проконтролювати напругу. Цей діапазон струму обраний таким чином, щоб підтримувати необхідний рівень напруги для всіх логічних елементів при допустимому відхиленні величин опорів, обумовлених в специфікації. Якщо D + не підключений, напруга буде мати високий логічний рівень. Якщо підключений, то на D + буде зчитуватися низький логічний рівень, незважаючи на тип порту. Якщо з'єднання з контактами даних не втрачалося після односекундного таймаута, кінцеве пристрій передбачає, що DCD відбулося.

1. Первинне визначення зарядного пристрою. На цьому етапі кінцеве пристрій розрізняє типи портів з можливістю струму заряду більше 500 мА (CDP і DCP) або менше 500 мА (SDP). Після відключення джерела струму фази DCD кінцеве пристрій підключає джерело напруги від 0,5 до 0,7 В на D + і подає струм від 25 до 175 мкA на D-. Якщо в даний момент виконується режим DCP або CDP, то на D- з'явиться рівень від 0,5 до 0,7 В. Якщо SDP, то напруга на D- знизиться до нуля. Компаратори кінцевого пристрою порівнюють напруга D- з рівнем від 0,25 до 0,4 В. Якщо напруга D- вище 0,4 В. але нижче ніж логічний низький рівень 0,8 В, то кінцеве пристрій робить висновок про те, що представлений порт зарядного пристрою.
2. Вторинне визначення зарядного пристрою. Після відключення джерела напруги і струму з попереднього кроку кінцеве пристрій повинен відрізнити CDP від ​​DCP. Для досягнення цієї мети виконується попередній тест в зворотному порядку. Тобто, на D- підключається джерело напруги 0,5 ... 0,7 В і на D + подається струм 50 мкA. Якщо виконується режим DCP, то на D + з'явиться тестове напруга від 0,5 до 0,7 В. Якщо CDP, то на D + напруга буде нульовим.
3. CDP: обмеження зарядного струму. Так як CDP підтримує і обмін даними, і заряд високим струмом, то необхідно відзначити останнім відмінність. Зважаючи на велике значення протікає в USB-кабелі струму, різниця між землею хоста і землею підключеного пристрою повинна бути обмежена на допустимому рівні зсуву не більше 375 мВ.

Логічна схема процедури визначення типу зарядного пристрою приведена на малюнку 2.

Мал. 2. Узагальнена процедура визначення зарядного пристрою відповідно до специфікації BC1.2

Зарядні пристрої, не сумісні з ВС1.2, відрізняються у різних виробників. Багато з зарядних пристроїв власної розробки ідентифікують себе для кінцевого пристрою за допомогою рівня напруги, одержуваного резистивним дільником між шиною VBUS і землею. Залежно від рівня відхилення, необхідного схемою виявлення зарядного пристрою, може бути доданий контур чутливості для виявлення рівнів напруг на D + і D-, і таким чином стає можливим ідентифікувати різні зарядні специфікації виробника.

Технологія визначення зарядного пристрою

Інтегральна схема виявлення USB-зарядного пристрою - це мікросхема, яка реалізує багато функцій і тонкощі, пов'язані з визначенням зарядного пристрою відповідно до специфікації ВС1.2. Також можливо реалізувати схему визначення на дискретних елементах. Однак кількість компонентів, місце на друкованій платі і час, витрачений на створення дискретної системи, різко зростає.

Додавання спеціальної мікросхеми для визначення пристрою заряду вимагає додаткового місця на друкованій платі, тому виробники часто поєднують інші необхідні або бажані функції в одному корпусі. Отже, мікросхема визначення зарядного пристрою високого ступеня інтеграції має безліч додаткових функцій, таких як вбудовані ключі для роботи USB або UART / аудіо, послідовні інтерфейси управління, захист від перенапруги (OVP - overvoltage protection), підтримка USB OTG, можливість заряду Li + батарей або навіть здатність нумерації USB.

Розробники, що підбирають детектор зарядного пристрою, який можна встановити в уже існуючий продукт з мінімальною кількістю додаткових компонентів і місцем на друкованій платі, повинні зацікавитися сімейством мікросхем MAX14576 / MAX14636 / MAX14637. Цей клас детекторів зарядних пристроїв харчується безпосередньо від шини USB VBUS. так що немає необхідності організовувати додаткове джерело живлення. Детектори оснащені внутрішніми перемикачами SPST, які відкриваються, коли виконується визначення зарядного пристрою, і закриваються, коли включена передача даних через USB. Кожен пристрій має порти введення / виводу з відкритим колектором для сигналізації статусу дозволу зарядки або передачі даних. Деякі версії детектора зарядного пристрою мають сумісний з Apple® порт детектора зарядки на додаток до специфікації BC1.2. На малюнку 3 показаний приклад схеми виявлення, яка обробляє протокол детектування. Для такої схеми потрібно менше ресурсів центрального процесора, і немає необхідності в серйозних змінах в існуючому проекті.

Мал. 3. Схема включення детектора зарядки MAX14636

Ця універсальна схема детектора зарядного пристрою автоматично визначає різницю між BC1.2-сумісними портами і підтримує визначення Apple-сумісних зарядних пристроїв (тобто 500 мА, 1 А, 2,1 А). Ці пристрої мають інтегровані DPDT-перемикачі, які дозволяють використовувати шини D + і D- для спільного використання високошвидкісним USB-приймачем, аудіовиходом і навіть внутрішнім UART. Використовуючи I2C-інтерфейс, вбудований процесор Новомосковскет, чи підключено зарядний пристрій, і переконфигурирует внутрішні ключі для відповідного режиму. Наприклад, розглянемо одиночний детектор зарядного пристрою з вбудованим OVP на шині VBUS, із захистом від електростатичних розрядів на лінії передачі даних і посадковим місцем 1,65х1,65 мм. Дана мікросхема додасть одиночному роз'єму гнучкому підході при впровадженні в системах з обмеженими габаритами.

Перспективи для пристроїв портативної електроніки

Технологія визначення зарядного пристрою досить універсальна, так як основні функції детектора зарядного пристрою можуть бути використані спільно з іншими функціями для досягнення високого ступеня інтеграції при розробці портативної електронної техніки. Інші рішення поєднують в одному корпусі детектор зарядного пристрою з контролером заряду Li + акумуляторних батарей. Деякі комбінують детектор зарядного усторойство і самонумерацію USB. Сьогодні нові мікросхеми детекторів зарядного пристрою автоматично здійснюють моніторинг циклів заряду батареї відповідно до BC1.2, замість додаткового завантаження вбудованого процесора з ручною юстировкой сумарного струму, що протікає за певний в специфікації часовий інтервал.

Коли об'єднуються функції детектора зарядного пристрою і заряду, виходить інтелектуальний ключове управління акумуляторною батареєю. Ця технологія дозволяє автоматично перемикатися між акумуляторною батареєю і зарядним пристроєм, коли відбувається процес заряду. Отже, деякі мікросхеми детекторів зарядного пристрою можуть забезпечити як зарядку батареї, так і повний струм навантаження. Пристрої, які підтримують ці функції, забезпечені також терморегулювання струму для захисту від небезпечних високих температур, що виникають в результаті одночасного заряду акумулятора і забезпечення струму навантаження. Завдяки інтеграції детектора і зарядного пристрою, системний розробник може приділити більше уваги кінцевого застосування продукту і менше турбуватися з приводу питань, пов'язаних з процесом заряду.

Тим часом специфікація USB BC1.2 продовжує стимулювати електронну промисловість, забезпечуючи стандарт, який виробники можуть брати за основу. Велика кількість BC1.2-сумісних зарядних пристроїв вже доступні, і з часом обсяги будуть тільки збільшуватися. Вже один цей факт робить застосування роз'єму USB в портативному пристрої привабливим варіантом. При використанні мікросхеми виявлення зарядного пристрою роз'єм USB на портативному пристрої стає універсальним компонентом. Дотримання специфікації BC1.2 підтримує ясність і простоту в реалізації технології. При розробці компактного і портативного вироби застосування мікросхеми детектора зарядного пристрою дозволяє збільшити ступінь інтеграції за рахунок великого списку супутніх функцій.

література