USB外设电源解决方案

同PC机的串口、并口相比，USB口不仅可大幅度提高数据传输速率，还具有为外部设备供电的能力。USB外设电源的合理设计，也就成为可以探讨的实际问题。

1. 有关技术规范

根据目前通行的USB1.1规范，USB口可以以5V土5%的电压为外部设备供电，但其输出功率不能超过2.25W，所以功耗较大的外设仍需自行配备电源而不在本节讨论范围之内。另外，USB规范对外设电源电路的某些相关参数亦有具体规定。例如，为了防止外设接入USB口时的浪涌电流造成主机电源的“毛刺”，外设在接通瞬间从主机抽取的电量不得超过50mC，其电源输入端的旁路电容器容量应在10μF以下。又如，外设电源刚接通时，主机将外设一律作为低功耗装置看待，此时USB口的输出电流上限仅为100mA；须待外设向主机发出请求并经主机确认外设为高功耗装置之后，输出电流上限才会提升至其最大值500mA。再如，USB规范允许外设处于“待机”状态并支持“远程唤醒”功能，不过此时外设的静态电流必须小于0.5mA（低功耗装置）或2.5mA（高功耗装置）。

所以，USB外设电源的设计要点，就是在符合USB规范的前提下，根据不同外部设备的要求，权衡各类电路结构的利弊，在性能、成本、体积等诸要素之间，确定一个恰当的平衡点。

2. 电源结构性能

USB外设电源的输入电压既已确定，其输出电压的高低便成为选择电路结构形式的决定性因素。目前最常用的标准电源电压有3.3V、5V和12V等几种。

许多USB数字设备采用3.3V电源，倘若电源变换效率为95%，则其最大可用电流约为0.65A。此时只要功率裕量足够，可以首选线性稳压器件，因其成本最低，所需外围元件也少，只是电源效率较低，不可能超过67%。若对效率有所要求，不妨考虑“电荷泵”器件，因其虽在成本与体积方面稍逊于前者，但在变换效率方面占有明显优势。不过此类器件的负载能力通常较弱，只能满足上述低功耗装置的要求。若是需要获取尽可能多的有用功率，那就只能采用效率更高的降压型开关稳压电路，但是成本与体积亦将随之增加。当然，开关电源也有几种电路形式可供选择。

一般说来，开关电源集成器件分为两种类型，即需要外接功率开关（多为功率型MOSFET）的“开关电源控制器”以及片内自带集成功率开关的“单片开关电源”。前者成本稍低，并且易于获得较低的功率开关导通电阻而有利于提高电源变换效率；后者则以体积小见长，并且能对功率开关实现完善的过热、过流保护。此外，两类器件又均各有“常规型”（亦称“异步型”或“非同步型”）与“同步型”之分；后者采用受控MOSFET取代前者的续流二极管，虽然成本较高，但因MOSFET的导通压降通常明显低于二极管的正向压降，由此至少可将开关电源的变换效率提高几个百分点，所以两者各有优劣而同时并存至今。

对于一些需要12V电源的USB模拟设备，电路形式的选择余地不大，以往几乎全部采用升压型开关稳压器，效率常在85%以上。倘若必须解决这类电路无法实现输出短路保护功能的难题，则可考虑SEPIC（单端初级电感变换器）电路，但是成本将会因此明显上升。当然，在这两类电路中，同样有着上述的外接或在片内的功率开关以及异步或同步整流的区别。

如果USB外设需要5V电源，考虑到USB口的外供电压可能略高于也可能略低于这一数值，为此，以往常用先升压再降压或先降压再升压的办法。这在需要多种输出电压的场合，倒也不失为一条可行途径；上述的SEPIC尽管电路复杂，成本也高，但因其能集升压、降压功能于一身，所以近来已呈应用渐广之势。

3. 应用电路实例

SEPIC实用电源电路，其输入、输出电压均为5V，开关频率约300kHz，电源变换效率接近90%。其中，UCC39421 是一种多用途高效PWM控制器，开关频率可由
其“定时电阻（RT）”引脚的外接电阻调整，输出电压则取决于“反馈（FB）”端的电压采样分压器，外接N沟道与P沟道MOSFET分别用做功率开关与同步整流。特别值得注意的是，储能电感分成对称的两半，输入端的能量经由跨接于两个电感之间的电容器向输出端转移，这是SEPIC电路的主要特征。

而另一种设计颇为紧凑的双电压输出电源电路，工作频率为750kHz，变换效率可达95%。其中，3.3V主电源由降压型单片同步开关电源TPS62000构成；该器件具有软启动功能，能够有效抑制输入浪涌电流与输出电压过冲，最大输出电流600mA。TPS62000的输出端“L”为低电平时，外接P沟道场效应管VT随之导通而令储能电感L1副绕组的感应电压向输出电容C1充电，C1的端电压同3.3V主输出叠加即为辅助输出电压，其数值取决于L1主、副绕组的匝数比；辅助输出若为5V，匝数比可取2:1。

不少便携式USB设备脱离主机后改由内部电池组通过直流变换器继续供电，故需配备一个小型UPS电源，对于一种由单片开关电源MAX1703构成的实用电路。该集成器件采用同步整流PWM升压型电路结构；可以单节镍镉/镍氢电池供电，最低输入电压0.7V，输出电压可调范围为2.5V～5.5V，最大输出电流1.5A，电源变换效率可达95%。MAX1703开关电源“POUT”端的输出电压设定为3.4V，而由P沟道场效应管VT1与片内备用放大器构成的线性稳压器输出电压为3.3V，故而USB外设由电池组供电时VT1的功率损耗几乎可以忽略。外部设备与USB口接通时，二极管VD1为正向偏置而使开关电源处于“空闲”状态；也就是只要VT1的源极电压高于3.4V，外部设备便始终由USB口供电。与此同时，USB口还通过PNP晶体管VT2等组成的恒流源向电池组充电，调整电阻R1的阻值可以设定充电电流，使之符合10h充电制的要求。一旦外部设备脱离USB口，开关电源便会立即退出“空闲”状态而由内部电池组继续供电。

综上所述，如能充分顾及USB技术规范的制约，掌握各类电路结构的特性，熟悉一些典型器件的用法，那么就可设计出合理的USB外设电源。

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