一种自适应USB电源管理设计
2022-06-09
赵清壮 ZHAO Qing-zhuang
（广州飒特股份有限公司，广州 510006）
摘要：随着计算机以及与USB相关便携式设备的发展，USB接口也得到了极大的普及。数据传输、对锂电池充电是目前应用范围比较广的USB接口技术。本文设计了一种USB电源自动检测的自适应电路：连接AC适配器执行快速充电并且给系统供电；连接PC等标准USB设备以最大500mA电流充电，同时可进行数据传输。
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关键词 ：USB；自适应；电源管理
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0131-02
作者简介：赵清壮（1985-），男，河南商丘人，硕士，广州飒特红外股份有限公司，电子工程师。
0 引言
通用串行总线（Universal Serial Bus）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品[1-2]，随着便携式设备的小型化，很多接口以复用形式设计，USB更是一种常用的复用接口。
本文设计了一种基于Mini-USB接口电源管理电路，电路能自动检测外部设备类型。如果检测到是标准USB设备，电路用于USB数据传输，并以最大500mA电流充电；如检测为AC适配器，电路用于给系统供电，并以最大1000mA电流充电。
1 电路原理与设计
1.1 电路原理
USB接口是一种通用接口，但不同类型设备的功能、电流驱动能力不尽相同，如PC设备用处最多的USB2.0接口数据传输速度最高能达到60MB/s，电流驱动能力为500mA[3]，而AC适配器不具有数据传输功能，但电流驱动能力能达到几A。为了适应不同类型设备接口，电路需具备USB类型检测功能。
USB接口定义如表1所示，其中1、5脚分别为电源和地，2、3脚是一对差分信号用于数据传输，4脚用于OTG传输。现今市面上大部分电源适配器把2、3脚短接，而PC等具有数据传输功能的USB接口2、3脚是分离的，根据此特点，2、3脚可用于检测USB设备类型。本设计中用以USB设备检测选用的芯片是SEMICONDUCTOR的FAN3988（图1所示）[4]，连接不同的设备，其Flag1、Flag2管脚呈现不同的状态，真值表如表2所示。另外此芯片还有过压和欠压检测功能，可用于系统电路保护。
锂电池充电管理芯片采用LTC4096EDD，此芯片具有两路电源输入功能，一路用于电源适配器，另一路可用于PC等设备[5]，见图1。
1.2 电路设计
本电路的整体设计如图2所示，其中D-信号经5.1M电阻下拉，D+经1M电阻上拉3.3V；U1（LT1761-3.3）为低噪音LDO芯片[6]，既能辅助FAN3988检测，同时也不会干扰USB数据传输。Flag2监视VBUS电压，控制NMOS芯片U3，如果VBUS电压高于3.3V且低于6V，Flag2为高电平，U3打开，XVBUS给后级系统供电开，否则电路关闭；Flag1控制芯片U4，如果接入的设备为AC适配器，且VBUS高于4.2V，Flag1为高电平，NMOS芯片U4打开，充电芯片U5由DCIN脚供电，最大充电电流由电阻R6控制，计算公式为IDC=1000/R6(mA)，如果接入的设备为PC，则Flag1为高低平，U4关闭，充电芯片U5由USBIN脚供电，最大充电电流由R7控制，本系统按照USB2.0接口设计，R7=2K，IUSB=500mA。
2 结论
经实际测试，电路连接到PC的USB2.0口时，电源管理芯片LTC4096EDD输入端切换到USBIN脚，电路进入慢速充电，并可进行数据传输；电路连接到输出电压5.15V、最大输出电流2000mA的电源适配器时，LTC4096EDD输入端自动切换到DCIN，电路进行快速充电，并以较大电流驱动能力给后级系统供电，实验数据见表3。
该USB电源管理电路能自适应AC电源适配器和PC，自动选择充电模式、后级系统供电方式，并且能用于高速USB数据安全传输，已成功用于手持设备。
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参考文献：
[1]胡晓军，张爱成.USB接口开发技术[M].西安电子科技大学出版社，2005.
[2]刘煜禹，孙超，孙庚，刘煜坤.USB总线在自动测试中的应用[J].沈阳大学学报，2005（02）.
[3]JAN AXELSON. USB 开发大全[M].四版.人民邮电出版社，2011.
[4]FAN3988 USB/Charger and Over Voltage Detection Device/DataSheet[M].Fairchild Semiconductor, 2013.
[5]LTC4096EDD Dual Input Standalone Li-Ion Battery Chargers/DataSheet[M]. Linear Technology, 2006.
[6]LT1761 Series 100mA, Low Noise, LDO Micropower Regulators in SOT-23/DataSheet[M]. Linear Technology, 1999.