如何设计符合中国标准的手机充电器接口

韩泽  现场应用工程师  美信集成产品公司

中国曾于06年12月14日颁布了新的行业标准YD/T1591－2006，即移动通信终端设备的充电器和接口技术要求及测试方法。

制定这样一个标准的目的是因为手机更新换代和消费者更换手机的频率越来越快，而不同手机充电器技术指标和接口不同，无法互换使用，消费者更换手机后造成旧充电器闲置浪费，不仅增加了消费者使用手机的成本，还会造成环境污染。通过制定手机充电器统一的接口标准，使得不同品牌、不同型号的手机可以共用充电器，消费者在购买新手机时仍可使用旧充电器，从而降低手机的使用成本。

1. YD/T1591-2006标准的新要求

从交流适配器到手机之间的连线传统上是交流适配器的一部分，如图1所示。

新的行业标准在第四节“技术要求”中明确要求使用一段独立的连接线缆，一端是工业标准的USB A型插头，用来和交流适配器标准的USB A型插座连接。而用来连接手机的线缆另一端则由手机厂商自行设计。如图2所示。

由于连接线缆的一端为工业标准的USB A型插头，手机消费者可以根据自己的意愿来为他们的手机选择符合新行业标准的交流适配器，诺基亚的手机用户可以选配摩托罗拉或三星的交流适配器，反之亦然。交流适配器可以仅作为选配件销售，这样用户再次购买新手机时就可以不用选购新的交流适配器了。



统一交流适配器标准之后，手机用户的一个新选择是当交流适配器不在身边而手机需要充电时，可以直接将连接线缆的USB插头一端插入PC机的USB端口，利用PC机来为手机充电。但由于USB2.0规范中对利用USB端口对外供电有与新行业标准不同的要求，为了区分PC机的USB端口和交流适配器，新行业标准中规定交流适配器USB插座中两个数据引脚D+和D-必须在适配器内部短接，如图3所示。



对于交流适配器的其它要求还包括:

额定输入电压范围: 100 ~240VAC±10%, 50/60Hz

额定输出电压: 5VDC±5%

额定输出电流: 300mA ~ 1800mA

输出电压与电流的关系如图4所示：



对于手机的要求如下:

输入电压范围: 5VDC±5%

最大消耗电流: 1800mA

输入电压高于6VDC时启动过压保护

2. USB2.0规范中对USB供电的要求

由于存在利用PC机USB端口给手机充电的可能性和发展趋势，我们还需要了解USB2.0规范(参见 http://www.usb.org/developers/docs/ )中针对USB供电还有哪些要求。

在USB2.0规范第7.2节中将手机这类通过USB主机端口Vbus引脚取电的设备统称为总线供电设备。未经主机软件允许，所有的总线供电设备从USB端口吸取的电流都不能超过100mA (在USB2.0规范中，100mA被定义为一个“单元负载”)，如果总线供电设备希望从USB端口吸取更多的电流，则需同USB主机进行软件协商，如果主机有能力提供更多的电流，会通知总线供电设备将其吸取的电流提高到大于100mA，但最大不能超过500mA。该过程也是在USB2.0规范第9.1.2节中定义的“总线枚举”的一部分。

另一个有别于交流适配器的地方是加在USB收发器D+和D-引脚上的上拉和下拉电阻。在USB主机侧，D+和D-分别被14.75kΩ至24.8kΩ的电阻下拉至地。在USB从机侧，D+和D-上的1.5kΩ上拉电阻位置用来表示从机支持的数据速率，D+被上拉代表全速USB，而D-被上拉则代表低速USB，如图5所示：



3. 目前手机中的电源通道管理方案

针对新的行业标准对手机的要求，业内手机厂商分别开发了不同手机电源通道管理方案。这通常需要两个步骤，第一步是当手机的USB端口Vbus引脚上出现一个5V电压时，准确区分接入的是交流适配器还是PC机的USB端口，在得出结论前，禁止从Vbus取电。为了判断是交流适配器还是PC机的USB端口，一些厂商通过基带芯片组内置的ADC来检测D+和D-的电压，进而判断USB的D+和D-引脚是否短路，还有一些厂商则首先启动一次USB握手通信，如果通信失败，则认为对端是交流适配器。

第二步是决定最大从Vbus引脚吸取多少电流。如果线缆的另一端是USB端口，为了避免与USB2.0规范产生冲突，有些厂商将手机吸取的最大电流严格限制在100mA以内，以符合USB2.0规范7.2.1.3节中对低功耗总线供电设备的要求。但也有一部分厂商想当然的认为PC机的USB端口肯定能够提供500mA电流，并没有按照USB2.0规范7.2.1.4节中要求的那样分步提高吸取电流，而是在USB枚举之前就将最大吸取电流设为500mA。如果线缆一端是交流适配器，则最大电流限制通常会保证锂电池芯片的最大充电速率。

以上这些方案的缺点是，当手机连接电缆的另一端连接到PC机USB端口时，

如果总是将最大吸取电流设为100mA，电池的充电时间会被延长数倍。如果手机仍在工作并持续消耗电流，电池有可能一直都不会被充满。

如果一开始就将最大吸取电流设为500mA，实验中曾经发生过一些PC机USB端口被烧毁的情况 。

4. 兼容行业标准“YD/T 1591-2006”和USB2.0的手机电源通道管理IC

Maxim的MAX8606是一个全功能的手机电源通道管理芯片，集成了单节锂电池充电功能和电源通道选择功能，既兼容于行业标准“YD/T1591-2006”又兼容于USB2.0规范。

MAX8606原理图如图6所示，Vbus的电流限制可以简单的通过两个GPIO来设置，电流限制分为三档，包括符合USB2.0规范的100mA和500mA，另一个通过外部电阻(RSETI)编程设定，以适应不同的交流适配器。



MAX8606还可以将从Vbus吸取的电流在系统供电和电池充电之间动态分配，并优先保证系统供电，如果交流适配器或PC机USB端口的电流输出能力有限而不能同时保证系统供电和电池快速充电，或系统功耗突然增加，则电池快充电流被自动降低以保证系统正常供电。另外，MAX8606的系统输出端被限制在4.2V以下，符合锂电池额定输出电压范围。

一个兼容行业标准“YD/T 1591-2006”和USB2.0规范的手机开机上电过程如下所述：

手机开机上电前，通过两个缺省输出为低电平的GPIO将MAX8606设为100mA的限流模式以满足USB2.0低功耗总线供电设备的需求。

当MAX8606 POK输出低电平，代表从Vbus接入有效的电源后，手机启动USB D+/D-的短路检测。为了防止电池低电压或没有安装电池，RF功能和显示功能此时尽量不要启动以避免系统功耗超过100mA的缺省电流限制。

手机基带电路可以通过测量USB D+和D-的电压或简单的启动一次USB通信来检测连接Vbus的另一侧是交流适配器还是PC机的USB端口。

如果另一侧是交流适配器，MAX8606被设为电阻编程的限流模式。如果另一侧是USB端口，则需启动一次USB枚举过程来向主机请求使用最大不超过500mA(在USB2.0规范中被定义为5个单位负载)的电流，被允许后MAX8606即可被设为500mA限流模式。