現(xiàn)在的便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品開(kāi)始采用容量較大的電池，以滿足更大屏幕以及更多無(wú)線功能(如WiFi、3G、和LTE)所帶來(lái)的額外的功率需求。此外，快速充電對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，也一直是一個(gè)很重要的目標(biāo)。目前采用USB" title="USB">USB接口進(jìn)行充電已非常普遍，而要進(jìn)一步提升USB接口的充電效率，以實(shí)現(xiàn)更快速的充電，必須有一個(gè)能增加PC或集線器(Hub)上USB端口可用電流的解決方案。
本文中將針對(duì)推動(dòng)通用充電解決方案的實(shí)現(xiàn)的各個(gè)因素進(jìn)行探討，該方案圍繞USB接口，并符合USB應(yīng)用者論壇(USB-IF)制定的相關(guān)規(guī)范。
USB電池充電
USB-IF是一個(gè)非盈利組織，在半導(dǎo)體行業(yè)眾多主要廠商(比如SMSC)的協(xié)助之下，致力于倡導(dǎo)和支持各種USB產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。該組織已經(jīng)制定了一套USB充電規(guī)范，最新版本被稱為“USB-IF 電池充電" title="電池充電">電池充電規(guī)范 1.1(BC 1.1)”，并且很快將發(fā)表BC 1.2，以作為充電器標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化工作旨在促成業(yè)內(nèi)各廠商相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)一個(gè)USB充電器檢測(cè)生態(tài)系統(tǒng)，從而為消費(fèi)者提供更便利的USB充電體驗(yàn)。隨著該規(guī)范的就緒，每種類型充電器的可用電流限額(available current allowance)已定義完成，可以依此來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，在BC 1.1發(fā)表之前，任何一個(gè)USB端口的最大可用電流被限制為僅有500 mA?，F(xiàn)在，BC 1.1定義的USB端口最高可提供1500mA，是先前USB端口定義的三倍，這對(duì)終端用戶來(lái)說(shuō)，就意味著能通過(guò)USB線纜獲得更快速的充電體驗(yàn)。
一直以來(lái)，USB端口充電只有一種標(biāo)準(zhǔn)定義。而未來(lái)，以BC 1.1定義為基礎(chǔ)，將總共有三種定義好的USB端口配置可供設(shè)備使用，它們分別是；標(biāo)準(zhǔn)下行端口(Standard Downstream Port，SDP)、充電下行端口(Charging Downstream Port，CDP)，以及專用充電端口(Dedicated Charging Port，DCP)。每種端口都能支持多個(gè)充電電流與復(fù)雜的USB充電器檢測(cè)協(xié)議。下面我們將探討每種USB充電端口間的差異，以進(jìn)一步了解它們的功能和使用情況。
便攜式設(shè)備" title="便攜式設(shè)備">便攜式設(shè)備市場(chǎng)發(fā)展" src="http://files.chinaaet.com/images/20110301/df016585-58d9-4e17-8f44-196a8214a636.jpg" />
首先，讓我們先 說(shuō)明“主機(jī)(host)”和“設(shè)備(device)”的定義。主機(jī)USB端口定義為USB線纜的上行端(upstream)或“A”接頭(即PC端)。而設(shè)備USB端口定義為USB線纜的下行端(downstream)或“B”接頭(即移動(dòng)產(chǎn)品端)?！?/p>
標(biāo)準(zhǔn)下行端口(SDP)在形式上即為傳統(tǒng)USB端口，通常是PC或USB集線器(hub)上的USB主機(jī)端口。當(dāng)主機(jī)和設(shè)備之間建立了USB枚舉(enumerated )狀態(tài)時(shí)，SDP僅能提供最高為500mA的電流?，F(xiàn)在，BC 1.1規(guī)范可針對(duì)因無(wú)電或低電量而無(wú)法進(jìn)入枚舉狀態(tài)的設(shè)備，提供更快的喚醒狀態(tài)支持。在該USB規(guī)范中，這項(xiàng)條款被稱為“無(wú)電電池條款”，它能讓主機(jī)端口提供100mA的電流源給設(shè)備，直到設(shè)備電池充電至足以啟動(dòng)SoC的電量，并使USB收發(fā)器進(jìn)入U(xiǎn)SB枚舉狀態(tài)，以獲得500mA的電流。在現(xiàn)今這個(gè)快節(jié)奏的環(huán)境中，快速充電對(duì)用戶來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。因此，從USB主機(jī)端口獲得更多電流勢(shì)在必行，這就催生了充電下行端口(CDP)定義。
與SDP相同，充電下行端口(CDP)亦即PC或USB集線端口。CDP擁有SDP的全部功能，但其支持的電流范圍更大，最高達(dá)1500mA。通過(guò)BC 1.1規(guī)范中所定義的D+和D- USB引腳上的握手(handshake)，CDP可提供這種額外的充電電流。在低電壓握手完成之后，便攜式設(shè)備便能從主機(jī)端口獲得完整的1500mA電流。最后一個(gè)主要的USB端口配置被稱為專用充電端口(DCP)。
專用充電端口(DCP)一般是壁式AC電源適配器(wall AC adaptor)，它只是一個(gè)通過(guò)USB接頭輸出功率的下行端口，不具備枚舉功能。未來(lái)，DCP提供的可用電流將會(huì)增加到1500mA。DCP需要將D+和D-線短接一個(gè)電阻(RDCH_DAT)，這在BC規(guī)范中已有定義?！ ?/p>
下表中說(shuō)明了USB-IF電池充電1.1規(guī)范所定義的不同USB充電端口，及其可用電流在增強(qiáng)終端用戶的USB充電體驗(yàn)方面的優(yōu)勢(shì)。
因此，若沒(méi)有建立BC 1.1生態(tài)系統(tǒng)，終端用戶就只能從PC或集線器USB端口獲得最高500mA的電流。現(xiàn)在各類USB充電端口間的差異都已經(jīng)清楚定義，讓我們?cè)龠M(jìn)一步討論USB接口的充電要求背后的推動(dòng)因素。
目前市場(chǎng)上便攜式設(shè)備的充電要求
目前市場(chǎng)上有多種不同類型的便攜式產(chǎn)品，都需要通過(guò)USB連接來(lái)進(jìn)行充電。所有這些設(shè)備的電池容量大小以及電源消耗速度都各不相同，故必需有各自的充電電流規(guī)格與充電時(shí)間要求。例如，現(xiàn)在市面上一部配備1540mAH鋰離子電池的
智能手機(jī)，其工作狀態(tài)下的功耗約為每小時(shí)190mA，也就是大概有8小時(shí)的工作時(shí)間。根據(jù)這樣的功耗與電池容量，在使用一天之后勢(shì)必需要對(duì)電池進(jìn)行快速充電。同樣地，若有一臺(tái)內(nèi)置約6600mAH容量電池的平板計(jì)算機(jī)，一次充電大概只能支持約10~12小時(shí)的工作時(shí)間。這就帶來(lái)了一個(gè)明顯的問(wèn)題，即要對(duì)這些容量較大的電池進(jìn)行充電，須花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間。
充電時(shí)間與許多因素有關(guān)，包括電池化學(xué)類型、效率損失、充電曲線、放電狀態(tài)、溫度，以及先前我們所討論的，不同充電端口類型的可用充電電流。對(duì)于BC 1.1定義的USB充電端口，其可用電流最高可達(dá)傳統(tǒng)USB端口的三倍，從而能縮短便攜式設(shè)備的電池充電時(shí)間。
因此，只要對(duì)充電電池供電設(shè)備的可用充電電流進(jìn)行比較，就會(huì)清楚了解到在USB產(chǎn)品應(yīng)用中整合USB-IF電池充電解決方案的重要性。為了協(xié)助USB電池充電標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)與推廣，現(xiàn)已有好幾個(gè)組織與規(guī)范開(kāi)始著手行動(dòng)。
通用電池充電計(jì)劃與發(fā)展趨勢(shì)
為了使USB電池充電成為一項(xiàng)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，歐洲的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)(GSMA)發(fā)表了“通用充電解決方案 (UCS)”計(jì)劃，其中闡述了如何通過(guò)該計(jì)劃來(lái)減少因移動(dòng)設(shè)備充電器缺乏標(biāo)準(zhǔn)性所造成的廢棄物，并為USB接頭定義一套標(biāo)準(zhǔn)充電解決方案。此外，中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部(MII)也在2006年12月發(fā)表的“移動(dòng)電信手持機(jī)充電器及接口技術(shù)要求和測(cè)試方法”(YD/T 1591-2006)中，公布了原始的USB充電器接口標(biāo)準(zhǔn)。這兩份文件的議題焦點(diǎn)都都同樣是USB充電端口的標(biāo)準(zhǔn)化與廢棄物數(shù)量的減少。為便于討論，下面我們來(lái)看看GSMA最近提出的計(jì)劃以及對(duì)BC 1.1規(guī)范的重視。
GSMA聯(lián)合了移動(dòng)產(chǎn)品領(lǐng)域的各大廠商，代表著全球移動(dòng)通信行業(yè)的共同利益。在2010年3月，GSMA發(fā)表了一篇題為“通用充電解決方案白皮書(shū) - 消費(fèi)者意識(shí)計(jì)劃1.0”的白皮書(shū)，文中強(qiáng)調(diào)了可通過(guò)增強(qiáng)消費(fèi)者意識(shí)來(lái)推動(dòng)UCS的發(fā)展，以支持更環(huán)保的移動(dòng)設(shè)備充電方式。雖然UCS知道，傳統(tǒng)上消費(fèi)者每次購(gòu)買(mǎi)新的移動(dòng)設(shè)備時(shí)，都預(yù)期會(huì)獲得一個(gè)新的充電器，但仍對(duì)未來(lái)規(guī)劃出一個(gè)新的愿景，即希望有一個(gè)通過(guò)USB連接的通用充電器，可在新舊行移動(dòng)設(shè)備間進(jìn)行重復(fù)使用。對(duì)終端消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，這種方案的好處不僅僅是再無(wú)需隨身攜帶多個(gè)充電器，還在于能夠重復(fù)利用其現(xiàn)有的充電器為未來(lái)新買(mǎi)的移動(dòng)設(shè)備充電。從環(huán)保的角度來(lái)看，如此一來(lái)，若以每年移動(dòng)電話出貨量中有五成為換機(jī)的比例來(lái)計(jì)算，可減少數(shù)億個(gè)充電器。假設(shè)平均每個(gè)充電器的重量為0.4磅(0.18公斤)，這些多余的充電器所造成的廢棄物重量就遠(yuǎn)超過(guò)10萬(wàn)噸。最重要的是，制造、包裝，以及運(yùn)輸這些充電器的成本也能因此能顯著減少。
UCS還進(jìn)一步在白皮書(shū)中 提出“共享電源”(CPS)概念。下圖所示為以USB連接為基礎(chǔ)的充電解決方案。
UCS計(jì)劃參照了USB-IF電池充電規(guī)范1.1，是全球USB充電器檢測(cè)協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)的一部分。此外，UCS還參考了USB-IF規(guī)范中所有其它重點(diǎn)，包括線纜、接頭，以及兼容性定義。通過(guò)引用與確認(rèn)USB-IF規(guī)范，GSMA為整個(gè)通用電池充電解決方案建立了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。除了引用USB充電標(biāo)準(zhǔn)之外，GSMA UCS計(jì)劃中的主要工作是要讓大眾了解通用用充電器所帶來(lái)的環(huán)保效益。
USB電池充電的市場(chǎng)趨勢(shì)與未來(lái)發(fā)展
現(xiàn)今的便攜式消費(fèi)電子市場(chǎng)仍在繼續(xù)演進(jìn)中，智能手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)等等各種產(chǎn)品不斷推陳出新。這些產(chǎn)品都有一個(gè)共通點(diǎn)，就是要求更多的電能，并需要一個(gè)基于USB接頭的通用充電解決方案。GSMA、MII和USB-IF，已為USB通用充電解決方案奠定了良好的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在是便攜式消費(fèi)電子設(shè)備制造商采用這一方案的時(shí)候了。如此一來(lái)，制造商將不再需要為每個(gè)便攜式產(chǎn)品配備一個(gè)充電器，同時(shí)終端用戶也能享有利用一條USB線纜或單個(gè)壁式適配器就能為所有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品充電的便利性了。
不管是USB主機(jī)端還是USB設(shè)備端，SMSC都提供有支持USB電池充電規(guī)范的廣大范圍的產(chǎn)品。SMSC的RapidCharge AnywhereTM生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案可讓傳統(tǒng)解決方案的USB端口支持更大范圍的可用充電電流，并使消費(fèi)電子產(chǎn)品能夠支持USB-IF電池充電1.1規(guī)范。利用SMSC發(fā)布的多款新產(chǎn)品，包括設(shè)備端的USB333x/USB334x USB收發(fā)器系列產(chǎn)品，以及主機(jī)端的USB251xB集線器控制器系列產(chǎn)品，終端用戶將能夠擁有一個(gè)電池充電檢測(cè)生態(tài)系統(tǒng)，并可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)USB連接獲得更高的可用充電電流，從而縮短充電時(shí)間。