日常生活大揭秘 USB口如何给手机充电

    泡泡网机箱电源频道6月6日 USB口不止有数据传输功能还可以供电，所以很多小功率设备插入USB口后不必再另外接适配器，这个特性在近些年越来越广的应用在移动设备中，尤其当USB3.0接口普及后，充电功能会受到更高的关注。

    这篇文章中我们介绍一下USB口给移动设备充电的几个关键步骤，相信看过后您对USB口充电的过程会有更多的了解。

    安全的锂电池充电过程

    我们可以购买到的正规移动电源/电池，大都使用了锂电池，手机、平板、MP3、相机里面也都有锂电池。准确来说是“锂电池电芯+充/放电控制电路”，因为锂电池电芯很脆弱，过低电压下放电、过高电压下充电都会永久损坏电芯。比如充电电压4.2V，如果采用4.25V充电，电芯必坏无疑。

    鉴于锂电池如此敏感，大部分充电电路都直接使用现成的芯片控制锂电池充放电过程。

    充电的过程是这样：

    1、小电流充电阶段

    先判断电池电压，如果电压低于最低电压则首先进行涓流充电。如果一开始电压就高于最低电压则直接进入第二个阶段：恒流充电。

    最低电压根据电芯不同有不同的设定，基本都在2.5V-3.0V之间。多小的电流算小呢？0.06C-0.1C就算小电流。

    C是什么？举例来说2000mAH的电池1C就是2000mA；5000mAH的电池1C就是5000mA。（大部分锂电池充电和放电都可以达到1C）

对于这块电池来说0.1C就是188mA

    2、恒流充电阶段

    涓流充电到电池电压高于最小电压后，充电器以恒定电流给电池充电，这个恒定电流就是很多充电器上标注的多少多少安。比如iPhone4/4S是1A，iPad是2.1A。

恒流充电，电流值标注

    恒流充电的过程中，电池电压也在逐渐升高，从最小电压上升到4.2V时恒流充电阶段终止，恒流过程实际能为电池充进40%-70%左右的电量。之后进入下一个阶段：恒压充电。

    3、恒压充电阶段

    恒定4.2V（±0.35%的精度）给电池充电，这个阶段里电流就不能维持恒定了，而是逐渐下降，当充电电流下降至0.1C后充电过程结束。这个阶段实际上可以充进60%-30%的电量。

    所以一块2000mAH的电池用1000mA的充电器充电时即便没有热损失出现，时间也会大于2小时。如果把电压转换中产生的废热算上也许实际充满电的时间超过3小时。

充电过程

    上图就是刚才所说的3个过程，所有锂电池充电时都要遵循这个规律，所以现在转而说到USB口给锂电池充电，中间就需要有控制电路和电压转换电路，不然4.5V-5V的电压加在锂电池上，电池直接就损坏了。

    USB口对设备的识别

    有一个比较专业的词“枚举（USB Enumeration）”，对USB设备来说是必须要经过的一步认证，在这个过程中USB控制器识别插入的设备是高速还是低调，硬件驱动的VID，供电需求等等信息。

    所有接入USB口的设备在刚开始消耗的电流都不能超过100mA，只有在枚举过程后主机才决定是否可以给设备提供更高的电流。

    如果没有枚举过程则USB口最多只能提供100mA的电流，如果用电器拉载超过100mA以上的负载，则USB控制器会关闭USB口。

USB枚举过程只需要开发者考虑

    所有接入USB口的设备在刚开始消耗的电流都不能超过100mA，只有在枚举过程后主机才决定是否可以给设备提供更高的电流。

USB的枚举就像公司面试

    这个过程好比一个公司，你就是USB设备，要进入公司首先要面试（枚举），你到了面试现场（第一次插入设备），面试官首先了解到你的外表，性别已经你要应聘的岗位（设备描述符），然后给你一个号，以后就开始按号叫人，当你被叫到就开始问你的专业知识，性格等（配置描述符），如果你比较合适（通过了枚举）你就会录取了，并且注册一个你的信息到公司（驱动安装，并且写入注册表）。等你下次来公司，只要把工号（PID，VID）报上，就知道是你来了。

    当然，实际过程远比描述的详细和复杂。整个枚举过程发生在USB设备接到USB口上的前几秒钟，对用户是不透明的。

    下面我们用一个实际的控制器来举例，产品来自Linear Technology，型号是LTC4062，是非常常见的单块锂离子电池充电器的控制器。

LTC4062控制器实物大小

    下图控制器的输入可以接USB口电压，其实还可以接更宽，4.3V-8V的输入电压都可以。充电电流Ic的大小可以从0-1000mA自行设定。

    设定方法是调整图中红色电阻Rp的阻值，充电电流Ic等于1000mA除以这个电阻的阻值。当满足涓流充电条件时充电电流自行降低到充电电流Ic的十分之一。

一个实际应用

    C/5可以在高低恒流充电状态切换，不设定时就以Ic充电，设定为1就以Ic的五分之一充电。刚才所说的“枚举”过程也是在C/5端口内部设计实现的，就不再介绍芯片内部的结构了。

实际测试电压/电流变化

    Timer是充电终止的计时器，有多种方式终止充电，第一种是Timer和C/5之间可以接电容Ct，接上以后充电器将在3×10⁷Ct小时后停止充电。还有另外一种终止充电的方式--判断充电电流大小来停止充电，需要在Idet端接定值电阻来实现。

    上图看着会不会眼熟？其实就是第二页介绍锂电池充电过程的实际测试结果，第一个涓流阶段由于横轴很短所以没画出来，实际上这个过程一定存在。

    因为平时写一些电池的文章，经常遇到同事问电池的问题，有几个具有典型性，是最常见的使用锂电池的误解。

    一：“电池用不用激活”？

    答案是需要激活！但此过程在工厂中完成。锂电池的激活过程是这样的：锂离子电池打开壳--灌输电解液--封口--化成，整个过程恒压充电，然后放电，如此进行几个循环，使电极充分浸润电解液充分活化，直至容量达到要求为止，锂电池到用户手上已经是激活过的了。因为电池的激活过程需要电池处于开口状态，激活以后再封口，除非您拥有了电芯生产设备，否则没法完成。

手机锂电池用激活吗？

    二：“手机需要每次把电用光再充吗”？

    不少朋友认为，锂电池必须将电量用光，否则也有可能出现记忆效应，其实这个概念最早来自镍镉电池，镍镉电池有记忆效应，如果不放尽电量，电池会随使用次数的增加而呈现出电量愈来愈少的状态，后来的镍氢电池已经得到了很大改进，已经没有明显的记忆效应，因为镍氢电池还是会出现一定程度的晶格化导致容量降低，仍然需要经常的彻底充放电来保持其正常的电量。而锂电池则基本上没有记忆效应，可以随时充放电而不会影响电池的容量。

不必每次用到这样才充电

　　而锂电池是不可逆的，性能及容量只会随着使用而不断地减少，另外，消除电池记忆需要进行深充深放，也就是电池电压要到达1.0V，手机不可能坚持到电池电压到1V时关机。

    放电深度达99%以上的锂电用维修电源能激活的也只有半数,其余半数报废！虽然我们用手机不至于把电池用到深放电的电压范围，但也没必要每次都把电用到自动关机。

    三：锂电池只能充放电500次

　　相信绝大部分消费者都听说过，锂电池的寿命是“500次”，500次充放电，超过这个次数，电池就“寿终正寝”了，许多朋友为了能够延长电池的寿命，每次都在电池电量完全耗尽时才进行充电，这也映证了第二个问题的出现。

　　假设一次完全放电的电量是Q，一块电池的周期为500次，那么它在寿命中提供的总电量是500Q，如果你每次都用光电，那么确实可以充500次，但如果你每次用了50%电量就充，那可以充1000次，以此类推。

    在第二页我们也说过，过低电压时出现大电流充电，或者充电电压高于4.2V很多都会给电池造成永久损伤，所以电池还是随用随充最合理。

    总结：

    USB口给手机、MP3充电的过程的细节还有很多，使用的控制器在功能上也有区别，比如保护功能上，电压变换采用的电路上，以及不同电芯的锂电池充电停止条件也不同，这方面做的规范的厂商固然很多，但山寨厂的产品大都不顾及这些规范，所以买手机充电器或者USB-HUB时还是选择正规大品牌更好。

    我们也会在时间允许的情况下通过测试帮助大家选购稳妥的产品，感兴趣的玩家请持续关注泡泡网电池频道。■<