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USB外设的电源设计
来源:电子设计应用 作者:东华大学机械工程学院,过玉清 2003/6/13 0:00:00 人气:1534
内容导读:
摘 要: 本文参照USB的有关技术规范,阐述USB外设电源的一般设计原则,并对几种较有特色的实用电路作了分析讨论。

关键词:USB;外设;电源

同PC机原先的串口、并口相比,USB口除能大幅提高数据传输速率之外,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。

有关技术规范
根据目前通行的USB1.1规范,USB口可以5V±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须自行配备电源而不在本文讨论范围之内。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10mF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。

图2 双电压输出电源

应用电路实例
图1就是一种SEPIC实用电路,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分别用作功率开关与同步整流。特别值得注意的是,图中的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。
图2是一种设计颇为紧凑的双电压输出电路,工作频率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Q1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之端电压同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,故而需要配备一个小型UPS电源,图3便是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2.5~5.5V,最大输出电流1.5A,电源变换效率可达95%。图3中,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Q1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Q1的功率损耗几乎可以忽略。外部设备与USB口接通时,二极管D1为正向偏置而使开关电源处于“空闲”状态;也就是只要Q1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Q2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,使之符合十小时充电制的要求。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。

图3 小型UPS电源

结语
综上所述,尚能充分顾及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。

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

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