|
作者：魏明 工信部通信計量中心USB兼容認證實(shí)驗室 時(shí)間：2009-10 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 背景 2009年4月，全球移動(dòng)通信系統協(xié)會(huì )(GSMA)聯(lián)合OTMP(手機開(kāi)放組織聯(lián)盟)17家移動(dòng)運營(yíng)商和制造商宣布實(shí)施跨行業(yè)的通用充電器標準，此標準采納了USB-IF的micro-USB接口作為手機數據和充電的統一接口，并采納USB-IF的Battery Charging 規范作為充電規范。USB-IF公布了1.1版的Battery charging規范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為BC規范)，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充。同時(shí)，與之配套的測試規范也正在制定中，預計將在年內頒布和實(shí)施。屆時(shí)USB Battery Charging相關(guān)測試項目將納入到USB兼容測試認證中。 電池充電規范 原有USB2.0規范并沒(méi)有考慮到使用USB接口為便攜式設備的電池進(jìn)行充電的需求，而這樣的需求卻越來(lái)越多。BC規范要解決的就是這個(gè)問(wèn)題，符合規范的設備和系統即向下兼容USB2.0標準，又針對充電做出了特別的優(yōu)化。 實(shí)際上，BC規范的核心內容就是引入了充電端口識別機制。一個(gè)符合BC規范的便攜式USB設備或OTG設備通過(guò)這套機制可以識別出是插到了一個(gè)標準的USB下行接口(Standard Downstream Port );一個(gè)USB專(zhuān)用充電器(USB Charger);還是一個(gè)針對充電做過(guò)優(yōu)化的USB下行接口(Charging Downstream Port)。然后，這些設備將根據不同的情況，按照BC規范的要求來(lái)獲取不同的電流。 便攜式設備和三種USB充電接口 ● Portable Device Portable Device(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PD)指電池供電的便攜式USB外設或者OTG設備，可以通過(guò)USB接口來(lái)為自身的電池充電。BC規范建議這些的PD應該具備相應的端口識別能力和對從USB總線(xiàn)獲取電流的控制能力。 ● Standard Downstream Port 基本上，這個(gè)Standard Downstream Port指符合現有USB2.0規范的主機(HOST)或集線(xiàn)器(HUB)上的下行USB接口。根據USB2.0規范，當USB外設處于未連接(un-connect)或休眠(suspend)的狀態(tài)時(shí)，一個(gè)Standard Downstream Port可向該外設提供不超過(guò)2.5mA的平均電流;當外設處于已經(jīng)連接并且未休眠的狀態(tài)時(shí)，電流可以至最大100mA;而當外設已經(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規范，又針對USB充電作出了優(yōu)化的下行USB接口，它可以是主機上的USB接口，也可以是USB集線(xiàn)器上的。這些下行USB接口能配合Portable Device 完成充電端口識別動(dòng)作，并提供最大至1.5A的供電能力，滿(mǎn)足PD大電流快速充電的需求。 今后很有可能會(huì )出現這樣的產(chǎn)品，一臺筆記本電腦上1個(gè)Charging Downstream Port和多個(gè)Standard Downstream Port同時(shí)存在，用戶(hù)可以將手機或其他PD連接到Charging Downstream Port進(jìn)行快速充電，并且在充電的同時(shí)可以進(jìn)行數據連接。 ● USB Charger BC1.1規范中定義的USB Charger與目前市面上可以買(mǎi)到的USB專(zhuān)用充電器類(lèi)似。USB Charger通過(guò)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的識別動(dòng)作，但它不具備和USB設備通信的能力。規范中對USB Charger的電壓電流輸出能力做出了較嚴格要求，以確保PD的安全。 USB端口識別機制 BC規范的核心在于充電識別機制，通過(guò)這個(gè)機制，當PD插入到USB接口時(shí)，PD將識別出所插入的USB接口類(lèi)型。 當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(kāi)始檢測D-線(xiàn)上的電壓，查看是否收到0.6V的電壓回應 (VDM_SRC)。因為Standard Downstream Port不會(huì )對D+上的0.6V信號作出任何回應，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(lèi)似并且與之互補的檢測電路，當它檢測到D+上有0.6V時(shí)，它將隨即向D-加載0.6V電壓，以回應PD;而在USB Charger中，由于D+和D-是短接的，所以當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(xiàn)上會(huì )被回應一個(gè)0.6v電壓。此后，PD先將D+(PD為高速或全速設備)或D-(PD為低速設備)拉高至邏輯高電平， 然后通過(guò)檢測另外一根數據線(xiàn)的電壓來(lái)區分是Charging Downstream Port 還是USB charger。因為Charging Downstream Port在充電檢測時(shí)期，只回應VDP_SRC而不會(huì )回應邏輯高電平，所以它將保持數據線(xiàn)為低(圖2)。
由于USB charger內部短接了D+和D-，如果一根數據線(xiàn)被拉高，那么另一根數據線(xiàn)也將變成高電平(圖3)。
通過(guò)以上的檢測機制，PD就可以識別出所插入的是何種USB端口。 無(wú)電電池充電機制 無(wú)電電池充電機制Dead Battery Provision(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DBP)在BC1.1規范中是一個(gè)獨立的章節，DBP針對一個(gè)裝有無(wú)電或低電量電池的PD插入到Standard Downstream Port的情況進(jìn)行了新的規范，它實(shí)際上是對USB2.0規范的擴展，確保BC1.1規范向下兼容USB2.0規范。 USB2.0規范要求USB外設在未連接HOST時(shí)，從VBUS吸取的電流不能超過(guò)2.5mA。但有一些PD在啟動(dòng)時(shí)的數秒鐘內需要消耗100mA以上的電流，如果這些便攜設備自身的電池電量不足或徹底沒(méi)電時(shí)，它將從VBUS上獲取這些電流。因此，當這樣的設備插入到USB端口時(shí)，可能無(wú)法啟動(dòng);更多情況是，由于多數HOST或者HUB并不限制設備消耗的電流，因此設備將以大電流啟動(dòng)，雖然他們也可以正常工作，但是這將導致USB系統的不穩定，同時(shí)這些設備也不能通過(guò)USB兼容認證測試。 DBP就是針對這種情況，有條件地放寬了USB2.0的要求。DBP規定，使用電池的便攜式USB設備在插入(Attach)到USB端口到和主機連接(Connect)這一時(shí)間段內，最多可以從VBUS獲取100mA的電流(USB2.0標準是2.5mA)，但是要滿(mǎn)足下列條件： ● PD安裝的電池應該處于無(wú)電或低電量的狀態(tài)，即PD使用這樣的電池將不能開(kāi)機; ● 當PD插入到USB端口以后并需要開(kāi)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連接(Connect); ● 這些從VBUS獲取的電流應該用于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(guò)程不得超過(guò)45分鐘。 充電電流比較 BC規范通過(guò)對原有USB2.0的擴展和引入新的充電機制，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 Charger Adapter 以下簡(jiǎn)稱(chēng)ACA)的概念。 隨著(zhù)便攜式設備變得越來(lái)越小，多數的PD只有一個(gè)USB接口用于連接外設或者充電, 但連接外設和充電不能同時(shí)進(jìn)行。例如，當一部手機通過(guò)USB接口連接了外置耳麥的時(shí)候，就不能通過(guò)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外設和通過(guò)USB端口充電。 ACA具有三個(gè)端口：OTG Port用于連接便攜式設備(OTG Device);Accessory Port 用于連接USB外設;Charger Port用于連接USB充電端口，可以是一個(gè)USB專(zhuān)用充電器也可以是一個(gè)Charging Downstream Port(圖4)。
相關(guān)測試 目前，和BC1.1配套的測試規范正在由USB-IF Battery Charging小組制定中。根據BC1.1的內容，測試規范將分成三個(gè)部分：Portable Device Compliance Plan;Charging Port Compliance Plan;ACA Compliance Plan。 其中，前兩個(gè)部分完成后，將被納入到現有的USB兼容測試證中去。也就是說(shuō)，如果一個(gè)PD產(chǎn)品需要獲得USB兼容性認證(使用USB Logo)，不僅要進(jìn)行傳統USB兼容測試，還要進(jìn)行BC部分的測試。 Portable Device Compliance Plan檢測PD是否滿(mǎn)足BC1.1規范，主要有兩個(gè)方面，一是針對BC1.1中的DBP部分，重點(diǎn)檢查當一個(gè)安裝電池的PD插入一個(gè)Standard Downstream Port時(shí)，PD從USB總線(xiàn)消耗的電流是否滿(mǎn)足要求;消耗的電流是否只用于電池充電而不用于其他;當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  D插入USB端口時(shí)的沖擊電流是否滿(mǎn)足要求等等。另一方面，Portable Device Compliance Plan將著(zhù)重測試PD的充電端口檢測機制。被測PD將被分別連接至Stand Downstream Port，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(lái)，這些電壓電流以及時(shí)序關(guān)系將被用來(lái)判斷該PD是否符合BC1.1規范。Charging Port Compliance Plan針對USB專(zhuān)用充電器以及Charging Downstream Port進(jìn)行測試。主要包括對電壓，電流等輸出參數的測試，還包括上沖/下沖，短路/恢復等特定情況的測試。 需要指出的是，目前已經(jīng)頒布的中國手機充電器標準(YDT 1591-2006)與本測試的部分內容相似，但也有所區別�？傮w上來(lái)講，YDT 1591-2006只針對USB充電器作出了規范，并在充電器絕緣、安規等方面給出了詳細的要求;而B(niǎo)C1.1規范引入了完善的充電機制并給出了相關(guān)的具體要求，它涉及充電電能的使用者(便攜式外設)和充電電能的提供者(USB端口)兩個(gè)方面。而對于USB專(zhuān)用充電器部分， BC1.1中有專(zhuān)門(mén)定義和規范，并且對于USB專(zhuān)用充電器輸出能力、短路保護、標識等提出更詳細的要求。 結語(yǔ) USB是一個(gè)成功的接口標準，數以?xún)|計的USB設備遍布于我們的生活中。BC1.1規范給予了USB標準以新的活力，它一方面解決了現有USB2.0標準的不足，另一方面為消費者提供了更大的便利。相信會(huì )有更多的USB便攜式設備使用USB接口進(jìn)行充電，也相信BC標準會(huì )在不久的將來(lái)得到迅速推廣和普及。 參考文獻 [1] Battery Charging Specification Revision 1.0 [S] [2] Battery Charging Specification Revision 1.1[S] [3] Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 [S] [4] Portable Device Compliance Plan Revision 0.8 Draft[S] [5] USB Charging Port Compliance Plan Revision 0.4 Draft[S] [6] 移動(dòng)通信手持機充電器及接口技術(shù)要求和測試方法 (YD/T1591-2006)[S] |
