USB3.0外設(shè)電源設(shè)計(jì)技術(shù)

同PC機(jī)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(jì)，也就成為可以探討的實(shí)際問(wèn)題。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(jì)原則，并對(duì)幾種較有特色的實(shí)用電路作了分析討論。

　　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(guò)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(duì)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U(xiǎn)SB口時(shí)的浪涌電流造成主機(jī)電源的“毛刺”，外設(shè)在接通瞬間從主機(jī)抽取的電量不得超過(guò)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(shí)，主機(jī)將外設(shè)一律作為低功耗裝置看待，此時(shí)USB口的輸出電流上限僅為100mA;須待外設(shè)向主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求并經(jīng)主機(jī)確認(rèn)外設(shè)為高功耗裝置之后，輸出電流上限才會(huì)提升至其最大值500mA。再如，USB規(guī)范允許外設(shè)處于“待機(jī)”狀態(tài)并支持“遠(yuǎn)程喚醒”功能，不過(guò)此時(shí)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(jì)要點(diǎn)，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(gè)恰當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。

　　

 

　　圖1 5V~5V SEPIC電源

　　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(jì)，則其最大可用電流約為0.65A。此時(shí)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(guò)67%。若對(duì)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(shì)。不過(guò)此類器件的負(fù)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源，其實(shí)仍有幾種電路形式可供選擇。

　　一般說(shuō)來(lái)，開(kāi)關(guān)電源集成器件分為兩種類型，即需要外接功率開(kāi)關(guān)(多為功率型MOSFET)的“開(kāi)關(guān)電源控制器”以及片內(nèi)自帶集成功率開(kāi)關(guān)的“單片開(kāi)關(guān)電源”。前者成本稍低，并且易于獲得較低的功率開(kāi)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(jiàn)長(zhǎng)，并且能對(duì)功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)完善的過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)。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(kāi)關(guān)電源的變換效率提高幾個(gè)百分點(diǎn)，所以兩者各有優(yōu)劣而同時(shí)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(duì)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，效率常在85%以上;倘若必須解決這類電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)功能的難題，則可考慮下述之SEPIC(單端初級(jí)電感變換器)電路，但是成本將會(huì)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(kāi)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?yàn)閁SB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(chǎng)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?；蛟S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(lái)已呈應(yīng)用漸廣之勢(shì)。

　　

 

　　圖2 雙電壓輸出電源

　　應(yīng)用電路實(shí)例

　　圖1就是一種SEPIC實(shí)用電路，其輸入、輸出電壓均為5V，開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率可由其“定時(shí)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(kāi)關(guān)與同步整流。特別值得注意的是，圖中的儲(chǔ)能電感分成對(duì)稱的兩半，輸入端的能量經(jīng)由跨接于兩個(gè)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(jì)頗為緊湊的雙電壓輸出電路，工作頻率750kHz，變換效率可達(dá)95%。其中， 3.3V主電源由降壓型單片同步開(kāi)關(guān)電源TPS62000構(gòu)成;該器件具有軟啟動(dòng)功能，能夠有效抑制輸入浪涌電流與輸出電壓過(guò)沖，最大輸出電流600mA。TPS62000的輸出端“L”為低電平時(shí)，外接P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1隨之導(dǎo)通而令儲(chǔ)能電感L1副繞組的感應(yīng)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(shè)備脫離主機(jī)后改由內(nèi)部電池組通過(guò)直流變換器繼續(xù)供電，故而需要配備一個(gè)小型UPS電源，圖3便是一種由單片開(kāi)關(guān)電源MAX1703構(gòu)成的實(shí)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(dá)95%。圖3中，MAX1703開(kāi)關(guān)電源“POUT”端的輸出電壓設(shè)定為3.4V，而由P溝道場(chǎng)效應(yīng)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(shè)由電池組供電時(shí)Q1的功率損耗幾乎可以忽略。外部設(shè)備與USB口接通時(shí)，二極管D1為正向偏置而使開(kāi)關(guān)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(shè)備便始終由USB口供電。與此同時(shí)，USB口還通過(guò)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(shè)定充電電流，使之符合十小時(shí)充電制的要求。一旦外部設(shè)備脫離USB口，開(kāi)關(guān)電源便會(huì)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(yǔ)

　　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(shè)計(jì)出合理的USB外設(shè)電源。