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USB电池充电规范 推动便携式设备市场发展


  现在的便携式消费电子产品开始采用容量较大的电池,以满足更大屏幕以及更多无线功能(如WiFi、3G、和LTE)所带来的额外的功率需求。此外,快速充电对用户来说,也一直是一个很重要的目标。目前采用USB接口进行充电已非常普遍,而要进一步提升USB接口的充电效率,以实现更快速的充电,必须有一个能增加PC或集线器(Hub)上USB端口可用电流的解决方案。

◆USB电池充电

  USB-IF是一个非盈利组织,在半导体行业众多主要厂商(比如SMSC)的协助之下,致力于倡导和支持各种USB产品的开发。该组织已经制定了一套USB充电规范,最新版本被称为“USB-IF 电池充电规范 1.1(BC 1.1)”,并且很快将发表BC 1.2,以作为充电器标准化的基础。这项标准化工作旨在促成业内各厂商相互协作,共同实现一个USB充电器检测生态系统,从而为消费者提供更便利的USB充电体验。随着该规范的就绪,每种类型充电器的可用电流限额(available current allowance)已定义完成,可以依此来进行设计。例如,在BC 1.1发表之前,任何一个USB端口的最大可用电流被限制为仅有500 mA。现在,BC 1.1定义的USB端口最高可提供1500mA,是先前USB端口定义的三倍,这对终端用户来说,就意味着能通过USB线缆获得更快速的充电体验。

  一直以来,USB端口充电只有一种标准定义。而未来,以BC 1.1定义为基础,将总共有三种定义好的USB端口配置可供设备使用,它们分别是;标准下行端口(Standard Downstream Port,SDP)、充电下行端口(Charging Downstream Port,CDP),以及专用充电端口(Dedicated Charging Port,DCP)。每种端口都能支持多个充电电流与复杂的USB充电器检测协议。下面我们将探讨每种USB充电端口间的差异,以进一步了解它们的功能和使用情况。

首先,让我们先 说明主机(host)”设备(device)”的定义。主机USB端口定义为USB线缆的上行端(upstream)“A”接头(PC)。而设备USB端口定义为USB线缆的下行端(downstream)“B”接头(即移动产品端)



  标准下行端口(SDP)在形式上即为传统USB端口,通常是PC或USB集线器(hub)上的USB主机端口。当主机和设备之间建立了USB枚举(enumerated )状态时,SDP仅能提供最高为500mA的电流。现在,BC 1.1规范可针对因无电或低电量而无法进入枚举状态的设备,提供更快的唤醒状态支持。在该USB规范中,这项条款被称为“无电电池条款”,它能让主机端口提供100mA的电流源给设备,直到设备电池充电至足以启动SoC的电量,并使USB收发器进入USB枚举状态,以获得500mA的电流。在现今这个快节奏的环境中,快速充电对用户来说越来越重要。因此,从USB主机端口获得更多电流势在必行,这就催生了充电下行端口(CDP)定义。

  与SDP相同,充电下行端口(CDP)亦即PC或USB集线端口。CDP拥有SDP的全部功能,但其支持的电流范围更大,最高达1500mA。通过BC 1.1规范中所定义的D+和D- USB引脚上的握手(handshake),CDP可提供这种额外的充电电流。在低电压握手完成之后,便携式设备便能从主机端口获得完整的1500mA电流。最后一个主要的USB端口配置被称为专用充电端口(DCP)。

  专用充电端口(DCP)一般是壁式AC电源适配器(wall AC adaptor),它只是一个通过USB接头输出功率的下行端口,不具备枚举功能。未来,DCP提供的可用电流将会增加到1500mA。DCP需要将D+和D-线短接一个电阻(RDCH_DAT),这在BC规范中已有定义。 
 
  下表中说明了USB-IF电池充电1.1规范所定义的不同USB充电端口,及其可用电流在增强终端用户的USB充电体验方面的优势。
USB-IF充电端口

  因此,若没有建立BC 1.1生态系统,终端用户就只能从PC或集线器USB端口获得最高500mA的电流。现在各类USB充电端口间的差异都已经清楚定义,让我们再进一步讨论USB接口的充电要求背后的推动因素。

◆目前市场上便携式设备的充电要求

  目前市场上有多种不同类型的便携式产品,都需要通过USB连接来进行充电。所有这些设备的电池容量大小以及电源消耗速度都各不相同,故必需有各自的充电电流规格与充电时间要求。例如,现在市面上一部配备1540mAH锂离子电池的智能手机,其工作状态下的功耗约为每小时190mA,也就是大概有8小时的工作时间。根据这样的功耗与电池容量,在使用一天之后势必需要对电池进行快速充电。同样地,若有一台内置约6600mAH容量电池的平板计算机,一次充电大概只能支持约10~12小时的工作时间。这就带来了一个明显的问题,即要对这些容量较大的电池进行充电,须花费多长时间。

  充电时间与许多因素有关,包括电池化学类型、效率损失、充电曲线、放电状态、温度,以及先前我们所讨论的,不同充电端口类型的可用充电电流。对于BC 1.1定义的USB充电端口,其可用电流最高可达传统USB端口的三倍,从而能缩短便携式设备的电池充电时间。
USB-IF定义的充电速度

  因此,只要对充电电池供电设备的可用充电电流进行比较,就会清楚了解到在USB产品应用中整合USB-IF电池充电解决方案的重要性。为了协助USB电池充电标准和计划的实现与推广,现已有好几个组织与规范开始着手行动。

◆通用电池充电计划与发展趋势

  为了使USB电池充电成为一项业界标准,欧洲的全球移动通信系统协会(GSMA)发表了“通用充电解决方案 (UCS)”计划,其中阐述了如何通过该计划来减少因移动设备充电器缺乏标准性所造成的废弃物,并为USB接头定义一套标准充电解决方案。此外,中国信息产业部(MII)也在2006年12月发表的“移动电信手持机充电器及接口技术要求和测试方法”(YD/T 1591-2006)中,公布了原始的USB充电器接口标准。这两份文件的议题焦点都都同样是USB充电端口的标准化与废弃物数量的减少。为便于讨论,下面我们来看看GSMA最近提出的计划以及对BC 1.1规范的重视。

  GSMA联合了移动产品领域的各大厂商,代表着全球移动通信行业的共同利益。在2010年3月,GSMA发表了一篇题为“通用充电解决方案白皮书 - 消费者意识计划1.0”的白皮书,文中强调了可通过增强消费者意识来推动UCS的发展,以支持更环保的移动设备充电方式。虽然UCS知道,传统上消费者每次购买新的移动设备时,都预期会获得一个新的充电器,但仍对未来规划出一个新的愿景,即希望有一个通过USB连接的通用充电器,可在新旧行移动设备间进行重复使用。对终端消费者来说,这种方案的好处不仅仅是再无需随身携带多个充电器,还在于能够重复利用其现有的充电器为未来新买的移动设备充电。从环保的角度来看,如此一来,若以每年移动电话出货量中有五成为换机的比例来计算,可减少数亿个充电器。假设平均每个充电器的重量为0.4磅(0.18公斤),这些多余的充电器所造成的废弃物重量就远超过10万吨。最重要的是,制造、包装,以及运输这些充电器的成本也能因此能显著减少。

  UCS还进一步在白皮书中 提出“共享电源”(CPS)概念。下图所示为以USB连接为基础的充电解决方案。
共享电源
  
  UCS计划参照了USB-IF电池充电规范1.1,是全球USB充电器检测协议与标准的一部分。此外,UCS还参考了USB-IF规范中所有其它重点,包括线缆、接头,以及兼容性定义。通过引用与确认USB-IF规范,GSMA为整个通用电池充电解决方案建立了一个坚实的基础。除了引用USB充电标准之外,GSMA UCS计划中的主要工作是要让大众了解通用用充电器所带来的环保效益。

◆USB电池充电的市场趋势与未来发展

  现今的便携式消费电子市场仍在继续演进中,智能手机、平板计算机等等各种产品不断推陈出新。这些产品都有一个共通点,就是要求更多的电能,并需要一个基于USB接头的通用充电解决方案。GSMA、MII和USB-IF,已为USB通用充电解决方案奠定了良好的基础。现在是便携式消费电子设备制造商采用这一方案的时候了。如此一来,制造商将不再需要为每个便携式产品配备一个充电器,同时终端用户也能享有利用一条USB线缆或单个壁式适配器就能为所有标准产品充电的便利性了。

  不管是USB主机端还是USB设备端,SMSC都提供有支持USB电池充电规范的广大范围的产品。SMSC的RapidCharge AnywhereTM生态系统实现方案可让传统解决方案的USB端口支持更大范围的可用充电电流,并使消费电子产品能够支持USB-IF电池充电1.1规范。利用SMSC发布的多款新产品,包括设备端的USB333x/USB334x USB收发器系列产品,以及主机端的USB251xB集线器控制器系列产品,终端用户将能够拥有一个电池充电检测生态系统,并可通过标准USB连接获得更高的可用充电电流,从而缩短充电时间。