中心議題：

• USB3.0相關技術規範
• USB3.0電源結構性能
• USB3.0應用電路實例

同PC機原先的串口
、並口相比，USB口除能大幅提高數據傳輸速率之外

，還具有為外部設備供電的能力。USB外設電源的合理設計，也就成為可以探討的實際問題。本文參照USB的有關技術規範
，闡述USB外設電源的一般設計原則，並對幾種較有特色的實用電路作了分析討論。
　　
有關技術規範
　　
根據目前通行的USB1.1規範，USB口可以5V±5%的電壓為外部設備供電，但其輸出功率不能超過2.25W，所以功耗較大的外設仍須自行配備電源而不在本文討論範圍之內。另外，USB規範對外設電源電路的某些相關參數亦有具體規定，例如
，為了防止外設接入USB口時的浪湧電流造成主機電源的“毛刺”，外設在接通瞬間從主機抽取的電量不得超過50mC
，其電源輸入端的旁路電容器容量應在10mF以下。又如，外設電源剛接通時
，主機將外設一律作為低功耗裝置看待，此時USB口的輸出電流上限僅為100mA;須待外設向主機發出請求並經主機確認外設為高功耗裝置之後，輸出電流上限才會提升至其最大值500mA。再如
，USB規範允許外設處於“待機”狀態並支持“遠程喚醒”功能，不過此時外設的靜態電流必須小於0.5mA(低功耗裝置)或2.5mA(高功耗裝置)。
　　
所以，USB外設電源的設計要點
，就是在符合USB規範的前提下，根據不同外部設備的要求
，權衡各類電路結構的利弊
，在性能、成本
、體積等諸要素之間
，確定一個恰當的平衡點。


圖1       5V~5VSEPIC電源
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電源結構性能
　　
USB外設電源的輸入電壓既已確定，其輸出電壓的高低便成為選擇電路結構形式的決定性因素。目前最常用的標準電源電壓，有3.3V

、5V和12V等幾種。
　　
許多USB數字設備采用3.3V電源


，倘若電源變換效率以95%計，則其最大可用電流約為0.65A。此時隻要功率裕量足夠，可以首選線性穩壓器件
，因其成本最低，所需外圍元件也少，隻是電源效率較低
，不可能超過67%。若對效率有所講求，不妨考慮“電荷泵”器qi件jian，因yin其qi雖sui在zai成cheng本ben與yu體ti積ji方fang麵mian稍shao遜xun於yu前qian者zhe，但dan在zai變bian換huan效xiao率lv方fang麵mian占zhan有you明ming顯xian優you勢shi。不bu過guo此ci類lei器qi件jian的de負fu載zai能neng力li通tong常chang較jiao弱ruo，隻zhi能neng滿man足zu上shang述shu低di功gong耗hao裝zhuang置zhi的de要yao求qiu。若ruo是shi需xu要yao獲huo取qu盡jin可ke能neng多duo的de有you用yong功gong率lv，那na就jiu隻zhi能neng采cai用yong效xiao率lv更geng高gao的de降jiang壓ya型xing開關穩壓電路
，但是成本與體積亦將隨之增加。當然，即使已經決定采用開關電源，其實仍有幾種電路形式可供選擇。
　　
一般說來
，開關電源集成器件分為兩種類型，即需要外接功率開關(多為功率型MOSFET)的“開關電源控製器”以及片內自帶集成功率開關的“單片開關電源”。前者成本稍低，並且易於獲得較低的功率開關導通電阻而有利於提高電源變換效率;後者則以體積小巧見長，並且能對功率開關實現完善的過熱、過流保護。此外
，兩類器件又均各有“常規型”(亦稱“異步型”或“非同步型”)與“同步型”之分;後者采用受控MOSFET取代前者的續流二極管，雖然成本較高

，但因MOSFET的de導dao通tong壓ya降jiang通tong常chang明ming顯xian低di於yu二er極ji管guan的de正zheng向xiang壓ya降jiang
，由you此ci至zhi少shao可ke將jiang開kai關guan電dian源yuan的de變bian換huan效xiao率lv提ti高gao幾ji個ge百bai分fen點dian

，所suo以yi兩liang者zhe各ge有you優you劣lie而er同tong時shi並bing存cun至zhi今jin。表biao1列出了上述幾種常用電源電路的結構分類與主要性能。
　　
對於一些需要12V電源的USB模擬設備
，電路形式的選擇餘地不大，以往幾乎全部采用升壓型開關穩壓器

，效率常在85%以上;倘若必須解決這類電路無法實現輸出短路保護功能的難題
，則可考慮下述之SEPIC(單端初級電感變換器)電路，但是成本將會因此明顯上升。當然

，在這兩類電路中，同樣有著上述之外接或在片功率開關以及異步或同步整流的區別。
　　
如果USB外設需要5V電源，事情就稍為有些棘手
，因為USB口kou的de外wai供gong電dian壓ya可ke能neng略lve高gao於yu也ye可ke能neng略lve低di於yu這zhe一yi數shu值zhi。為wei此ci
，以yi往wang常chang用yong先xian升sheng壓ya再zai降jiang壓ya或huo先xian降jiang壓ya再zai升sheng壓ya的de辦ban法fa。這zhe在zai需xu要yao多duo種zhong輸shu出chu電dian壓ya的de場chang合he，倒dao也ye不bu失shi為wei一yi條tiao可ke行xing途tu徑jing;但若僅需單一的5V輸出
，此類電路結構便難免“疊床架屋”之嫌。或許正是這一緣故，上述之SEPIC盡管電路複雜，成本也高
，但因其能集升壓、降壓功能於一身，所以近來已呈應用漸廣之勢。


圖2     雙電壓輸出電源
　　
應用電路實例
　　
圖1就是一種SEPIC實用電路，其輸入

、輸出電壓均為5V，開關頻率約300kHz，電源變換效率接近90%。其中，UCC39421是一種多用途高效PWM控製器，開關頻率可由其“定時電阻(RT)”引腳的外接電阻調整，輸出電壓則取決於“反饋(FB)”端的電壓采樣分壓器


，外接N溝道與P溝道MOSFET分fen別bie用yong作zuo功gong率lv開kai關guan與yu同tong步bu整zheng流liu。特te別bie值zhi得de注zhu意yi的de是shi，圖tu中zhong的de儲chu能neng電dian感gan分fen成cheng對dui稱cheng的de兩liang半ban，輸shu入ru端duan的de能neng量liang經jing由you跨kua接jie於yu兩liang個ge電dian感gan之zhi間jian的de電dian容rong器qi向xiang輸shu出chu端duan轉zhuan移yi

，這zhe是shiSEPIC電路的主要特征。
　　
圖2是一種設計頗為緊湊的雙電壓輸出電路
，工作頻率750kHz

，變換效率可達95%。其中，3.3V主電源由降壓型單片同步開關電源TPS62000構成;該器件具有軟啟動功能，能夠有效抑製輸入浪湧電流與輸出電壓過衝，最大輸出電流600mA。TPS62000的輸出端“L”為低電平時
，外接P溝道場效應管Q1隨之導通而令儲能電感L1副繞組的感應電壓向輸出電容C1充電
，C1之端電壓同3.3V主輸出疊加即為輔助輸出電壓，其數值取決於L1主、副繞組的匝數比;輔助輸出若為5V，匝數比可取2:1。
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不少便攜式USB設備脫離主機後改由內部電池組通過直流變換器繼續供電，故而需要配備一個小型UPS電源
，圖3便是一種由單片開關電源MAX1703構成的實用電路。該集成器件采用同步整流PWM升壓型電路結構;可以單節鎳鎘/鎳氫電池供電
，最低輸入電壓0.7V
，輸出電壓可調範圍為2.5~5.5V，最大輸出電流1.5A，電源變換效率可達95%。圖3中，MAX1703開關電源“POUT”端的輸出電壓設定為3.4V，而由P溝道場效應管Q1與片內備用放大器構成的線性穩壓器輸出電壓為3.3V，故而USB外設由電池組供電時Q1的功率損耗幾乎可以忽略。外部設備與USB口接通時，二極管D1為正向偏置而使開關電源處於“空閑”狀態;也就是隻要Q1的源極電壓高於3.4V
，外部設備便始終由USB口供電。與此同時，USB口還通過PNP晶體管Q2等組成的恒流源向電池組充電，調整電阻R1的阻值可以設定充電電流，使之符合十小時充電製的要求。一旦外部設備脫離USB口
，開關電源便會立即退出“空閑”狀態而由內部電池組繼續供電。


圖3     小型UPS電源
　
綜上所述
，尚能充分顧及USB技術規範的製約，掌握各類電路結構的特性，熟悉一些典型器件的用法，那麼，就可設計出合理的USB外設電源。