USB外設的電源設計

關鍵詞：USB；外設；電源

同PC機原先的串口、并口相比，USB口除能大幅提高數(shù)據(jù)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。

有關技術(shù)規(guī)范
根據(jù)目前通行的USB1.1規(guī)范，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范圍之內(nèi)。另外，USB規(guī)范對外設電源電路的某些相關參數(shù)亦有具體規(guī)定，例如，為了防止外設接入USB口時的浪涌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(fā)出請求并經(jīng)主機確認外設為高功耗裝置之后，輸出電流上限才會提升至其最大值500mA。再如，USB規(guī)范允許外設處于“待機”狀態(tài)并支持“遠程喚醒”功能，不過此時外設的靜態(tài)電流必須小于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(guī)范的前提下，根據(jù)不同外部設備的要求，權(quán)衡各類電路結(jié)構(gòu)的利弊，在性能、成本、體積等諸要素之間，確定一個恰當?shù)钠胶恻c。

圖1 5V~5V SEPIC電源

電源結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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。此時只要功率裕量足夠，可以首選線性穩(wěn)壓器件，因其成本最低，所需外圍元件也少，只是電源效率較低，不可能超過67％。若對效率有所講求，不妨考慮“電荷泵”器件，因其雖在成本與體積方面稍遜于前者，但在變換效率方面占有明顯優(yōu)勢。不過此類器件的負載能力通常較弱，只能滿足上述低功耗裝置的要求。若是需要獲取盡可能多的有用功率，那就只能采用效率更高的降壓型開關穩(wěn)壓電路，但是成本與體積亦將隨之增加。當然，即使已經(jīng)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“開關電源控制器”以及片內(nèi)自帶集成功率開關的“單片開關電源”。前者成本稍低，并且易于獲得較低的功率開關導通電阻而有利于提高電源變換效率；后者則以體積小巧見長，并且能對功率開關實現(xiàn)完善的過熱、過流保護。此外，兩類器件又均各有“常規(guī)型”(亦稱“異步型”或“非同步型”)與“同步型”之分；后者采用受控MOSFET取代前者的續(xù)流二極管，雖然成本較高，但因MOSFET的導通壓降通常明顯低于二極管的正向壓降，由此至少可將開關電源的變換效率提高幾個百分點，所以兩者各有優(yōu)劣而同時并存至今。表１列出了上述幾種常用電源電路的結(jié)構(gòu)分類與主要性能。
對于一些需要12V電源的USB模擬設備，電路形式的選擇余地不大，以往幾乎全部采用升壓型開關穩(wěn)壓器，效率常在85％以上；倘若必須解決這類電路無法實現(xiàn)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(qū)別。
如果USB外設需要5V電源，事情就稍為有些棘手，因為USB口的外供電壓可能略高于也可能略低于這一數(shù)值。為此，以往常用先升壓再降壓或先降壓再升壓的辦法。這在需要多種輸出電壓的場合，倒也不失為一條可行途徑；但若僅需單一的5V輸出，此類電路結(jié)構(gòu)便難免“疊床架屋”之嫌。或許正是這一緣故，上述之SEPIC盡管電路復雜，成本也高，但因其能集升壓、降壓功能于一身，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控制器，開關頻率可由其“定時電阻(RT)”引腳的外接電阻調(diào)整，輸出電壓則取決于“反饋(FB)”端的電壓采樣分壓器，外接N溝道與P溝道MOSFET分別用作功率開關與同步整流。特別值得注意的是，圖中的儲能電感分成對稱的兩半，輸入端的能量經(jīng)由跨接于兩個電感之間的電容器向輸出端轉(zhuǎn)移，這是SEPIC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(gòu)成；該器件具有軟啟動功能，能夠有效抑制輸入浪涌電流與輸出電壓過沖，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(shù)值取決于L1主、副繞組的匝數(shù)比；輔助輸出若為5V，匝數(shù)比可取2:1。
不少便攜式USB設備脫離主機后改由內(nèi)部電池組通過直流變換器繼續(xù)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(gòu)成的實用電路。該集成器件采用同步整流PWM升壓型電路結(jié)構(gòu)；可以單節(jié)鎳鎘／鎳氫電池供電，最低輸入電壓0.7V，輸出電壓可調(diào)范圍為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(nèi)備用放大器構(gòu)成的線性穩(wěn)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于“空閑”狀態(tài)；也就是只要Q1的源極電壓高于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(diào)整電阻R1的阻值可以設定充電電流，使之符合十小時充電制的要求。一旦外部設備脫離USB口，開關電源便會立即退出“空閑”狀態(tài)而由內(nèi)部電池組繼續(xù)供電。

圖3 小型UPS電源

結(jié)語
綜上所述，尚能充分顧及USB技術(shù)規(guī)范的制約，掌握各類電路結(jié)構(gòu)的特性，熟悉一些典型器件的用法，那么，就可設計出合理的USB外設電源。

參考文獻
1 Compaq Computer Corporation. Universal Serial Bus Specification Revision 1.1.1998
2 Texas Instruments Incorporated. UCC29421 Multimode High-Frequency PWM Controller. 2000