本文參照usb的有關(guān)技術(shù)規(guī)范，闡述usb外設(shè)電源的一般設(shè)計原則，并對幾種較有特色的實用電路作了分析討論。

　　關(guān)鍵詞：usb；外設(shè)；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(shè)備供電的能力。usb外設(shè)電源的合理設(shè)計，也就成為可以探討的實際問題。

有關(guān)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(shè)備供電，但其輸出功率不能超過2.25w，所以功耗較大的外設(shè)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(shè)電源電路的某些相關(guān)參數(shù)亦有具體規(guī)定，例如，為了防止外設(shè)接入usb口時的浪涌電流造成主機電源的“毛刺”，外設(shè)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(yīng)在10mf以下。又如，外設(shè)電源剛接通時，主機將外設(shè)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(shè)向主機發(fā)出請求并經(jīng)主機確認外設(shè)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(shè)處于“待機”狀態(tài)并支持“遠程喚醒”功能，不過此時外設(shè)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(shè)電源的設(shè)計要點，就是在符合usb規(guī)范的前提下，根據(jù)不同外部設(shè)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(dāng)?shù)钠胶恻c。

電源結(jié)構(gòu)性能

　　usb外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)電源電壓，有3.3v、5v和12v等幾種。

　　許多usb數(shù)字設(shè)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(guān)穩(wěn)壓電路，但是成本與體積亦將隨之增加。當(dāng)然，即使已經(jīng)決定采用開關(guān)電源，其實仍有幾種電路形式可供選擇。

　　一般說來，開關(guān)電源集成器件分為兩種類型，即需要外接功率開關(guān)(多為功率型mosfet)的“開關(guān)電源控制器”以及片內(nèi)自帶集成功率開關(guān)的“單片開關(guān)電源”。前者成本稍低，并且易于獲得較低的功率開關(guān)導(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(guān)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(shè)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(guān)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(dāng)然，在這兩類電路中，同樣有著上述之外接或在片功率開關(guān)以及異步或同步整流的區(qū)別。

　　如果usb外設(shè)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(fù)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(yīng)用漸廣之勢。

應(yīng)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(guān)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(guān)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m(xù)osfet分別用作功率開關(guān)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(shè)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(guān)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(fā)”為低電平時，外接p溝道場效應(yīng)管q1隨之導(dǎo)通而令儲能電感l(wèi)1