USB標(biāo)準(zhǔn)其中一個(gè)特性是從主機(jī)為插入的USB外設(shè)供電,。從過去的串行和并行端口變化到USB,，這種進(jìn)步可使連接到PC的各種器件數(shù)大大增加。

　　除直接供電USB器件外,，USB更有用的一個(gè)功能是用USB電源進(jìn)行電池充電,。由于很多便攜裝置(如MP3播放機(jī)，PDA)與PC交換信息,，所以,，電池充電和數(shù)據(jù)交換同時(shí)在一條纜線上進(jìn)行將會(huì)使裝置方便性大大增強(qiáng)。把USB和電池供電功能結(jié)合起來,，擴(kuò)大了“非受限”裝置(如移動(dòng)web相機(jī)連接PC或不連接PC工作)的工作范圍,。在很多情況下，不必?cái)y帶不方便的AC適配器,。

　　從USB對(duì)電池充電可以復(fù)雜也可以簡單,，這取決于USB設(shè)備要求。對(duì)設(shè)計(jì)有影響的因素通常是“成本”,、“大小”和“重量”,。其它重要的考慮包括：1)當(dāng)設(shè)備插入到USB端口時(shí)，帶放電電池的設(shè)備能夠以多快的速度進(jìn)入完全工作狀態(tài),；2)所允許的電池充電時(shí)間,；3)受USB限制的電源預(yù)算；4)包含AC適配器充電的必要性,。本文從電源觀點(diǎn)詳述USB之后,，將針對(duì)這些問題給出解決方案。
 

圖1 USB電壓降(來自通用串行總線規(guī)定Rev2.0)

圖2 USB器件插孔

圖3 從USB簡單充電100mA和從AC適配器充電350mA不需要枚舉,，這是因?yàn)閁SB充電電流不超過“一個(gè)單元負(fù)載”(100mA),。3.3V系統(tǒng)負(fù)載總是從電池汲取電流

　　USB電源

　　所有主機(jī)USB設(shè)備(如PC和筆記本電腦)至少可以供出500mA電流或每個(gè)USB插口提供5個(gè)“單元負(fù)載”,。在USB述語中，“一個(gè)單元負(fù)載”是 100mA,。自供電USB插孔也可以提供5個(gè)單元負(fù)載,。總線供電USB插孔保證提供一個(gè)單元負(fù)載(100mA),。根據(jù)USB規(guī)范和圖1的說明,，在纜線外設(shè)端，來自USB主機(jī)或供電插孔的最小有效電壓是4.5V,，而來自USB總線供電插孔的最小電壓是4.35V,。這些電壓在為鋰離子電池充電時(shí)(一般需要 4.2V)，其余量是很小的,。

　　插入U(xiǎn)SB端口的所有設(shè)備開始汲取的電流不得大于100mA,。在與主機(jī)通信后，器件可決定它是否可以占用整個(gè)500mA,。

　　USB外設(shè)包含兩個(gè)插孔中的一個(gè),。兩個(gè)插孔都比PC和其他USB主機(jī)中的插口要小。“SeriesB"和更小的“Series Mini-B”插孔示于圖2,。從SeriesB的引腳1(+5V)和4(地)和Series Mini-B的引腳1(+5V)和5(地)得到電源,。

　　一旦連接，所有USB設(shè)備需要主機(jī)對(duì)其加以識(shí)別,。這稱之為“枚舉”,。在識(shí)別過程中，主機(jī)決定USB設(shè)備的電源以及是否為其供電,，對(duì)于被認(rèn)可的設(shè)備可以將負(fù)載電流從100mA增大到500mA,。

　　簡單的USB/AC適配器充電電路

　　某些非常基本的設(shè)備不希望額外的軟件開銷,，此開銷對(duì)有效USB電源的分類和最佳使用是需要的,。若設(shè)備負(fù)載電流限制到100mA(在USB中稱之為“一單元負(fù)載”)，則任何USB主機(jī),、自供電插孔可以對(duì)設(shè)備供電,。對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)，一個(gè)非?；镜某潆娖骱头€(wěn)壓器電路示于圖3,。

　　每當(dāng)器件連接USB或插入AC適配器時(shí)，此電路就為電池充電,。在同一時(shí)間,，系統(tǒng)負(fù)載總是連接到電池，在這樣的情況下，通過簡單的線性穩(wěn)壓器(U2)可提供高達(dá) 200mA電流,。若系統(tǒng)連續(xù)地汲取這樣的電流量而電池正在以100mA電流從USB充電,，則電池仍將放電，這是由于負(fù)載電流超過了充電電流,。在大多數(shù)的小系統(tǒng)中,，峰值負(fù)載只發(fā)生在總工作時(shí)間的一小部分時(shí)間內(nèi)，所以只需要平均負(fù)載電流小于充電電流,，電池仍將充電,。當(dāng)連接AC適配器時(shí)，充電器(U1)最大電流增加到350mA,。若在同一時(shí)間連接USB和AC適配器,，則AC適配器自動(dòng)處于優(yōu)先供電的地位。

　　U1的一個(gè)特性是USB規(guī)范所要求的(也是一般充電器的法則),，即決不允許電流從電池或其他電源輸入回饋到電源輸入。在一般充電器中,，用輸入二級(jí)管可保證做到,，但最小的USB電壓 (4.35V)和所需的鋰離子電池電壓(4.2V)之間的差值很小，甚至用肖特基二極管也是不合適的,?；诖嗽颍赨1 IC中斷開全部反向電流通路,。

　　圖3的電路有一些局限性,，使它不適于一些可充電的USB設(shè)備。最明顯的局限性是其相當(dāng)?shù)偷某潆婋娏?，使得?duì)大于幾百毫安一小時(shí)的鋰離子電池充電耗費(fèi)時(shí)間很長,。第二個(gè)局限是負(fù)載(線性穩(wěn)壓器輸入)總連接到電池。在這種情況下,，系統(tǒng)不能夠在插入后立即工作,，這是因?yàn)殡姵厣疃确烹姡陔姵剡_(dá)到一個(gè)足夠的電壓使系統(tǒng)工作之前有一段延遲時(shí)間,。

　　負(fù)載切換和增強(qiáng)型電路

　　在更先進(jìn)的系統(tǒng)中,，充電器或圍繞充電器需要一些增強(qiáng)性能。這包括可選擇的充電電流以適應(yīng)不同電源或電池的供電能力,，插入電源時(shí)的負(fù)載切換以及過壓保護(hù),。圖4所示電路增加了這些功能，它是借助于充電器IC電壓檢測器驅(qū)動(dòng)的外部MOSFET實(shí)現(xiàn)的,。

　　MOSFET Q1和Q2以及二極管D1和D2旁路電池,，直接連接有效(USB或AC適配器)電源輸入與負(fù)載。當(dāng)電源輸入有效時(shí)，DC輸入具有優(yōu)先地位,；U1防止在同一時(shí)間兩個(gè)輸入都有效,。二極管D1和D2防止通過“系統(tǒng)負(fù)載”電源通路產(chǎn)生的輸入之間的反向電流，而充電器具有內(nèi)置電路排除通過充電通路(在BATT)的反向電流,。

　　MOSFET也提供AC適配器過壓保護(hù)(高達(dá)18V),。欠/過壓監(jiān)控器使AC適配器電壓只在4V和6.25V之間。

　　MOSEFT Q3在不存在有效外部電源時(shí)導(dǎo)通,，使電池連接到負(fù)載,。當(dāng)USB或DC電源連接時(shí)，PON(電源開關(guān))輸出立即斷開Q3,，使電池與負(fù)載斷開,。系統(tǒng)在加外部電源時(shí)能立即工作，既使電池深度放電或損壞也能立即工作,。

　　當(dāng)連接USB時(shí),，USB器件與主機(jī)通信決定負(fù)載電流是否可以增加。若主機(jī)允許,，負(fù)載開始在一個(gè)單元負(fù)載并增加到5個(gè)單元負(fù)載,。５到1個(gè)單元負(fù)載的電流范圍對(duì)于一般充電器(不是設(shè)計(jì)用于USB)來說存在一個(gè)問題。一般充電器的精度,，盡管可滿足高電流要求,，但通常在低電流設(shè)置方面不能滿足要求，這是由于電流檢測電路的偏差造成的,。其結(jié)果是小范圍充電電流(1個(gè)單元負(fù)載)必須設(shè)置得足夠低,，以保證不會(huì)超過100mA限制。例如,，對(duì)于500mA的10%精度而言,，輸出必須設(shè)置為450mA，以保證它不會(huì)超過500mA,。這僅僅是可接受的,；然而，為了保證低充電電流不超過100mA ,其額定電流必須設(shè)置為50mA,，而最小值可能是0mA,這顯然是不可接受的,。若USB充電在兩個(gè)范圍都有效，則需要有足夠的精度,，使得最大可能的充電電流不超過USB限值,。

　　在某些設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)電源要求用小于500mA USB預(yù)算分別供電負(fù)載和充電電池是做不到的,，但用AC適配器就不成問題,。圖5所示電路(圖4的簡化子系統(tǒng))是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的連接方法。USB電源不直接接到負(fù)載。充電和系統(tǒng)工作仍然發(fā)生在USB電源,，但系統(tǒng)保持與電池的連接,，其限制和圖3一樣：在連接USB時(shí)，若電池深度放電,，則系統(tǒng)可以在工作前有一段延遲,。若連接DC電源，則圖5工作狀態(tài)與圖4相同,，無等待時(shí)間,，與電池狀態(tài)無關(guān)，這是因?yàn)镼2截止,，通過D1系統(tǒng)負(fù)載從電池轉(zhuǎn)到DC輸入,。

　　鎳氫電池充電電路

　　盡管鋰離子電池能為大多數(shù)便攜裝置提供最好的性能，但NiMH(鎳氫)電池仍然是低成本設(shè)計(jì)的可行選擇,。在負(fù)載要求不是太嚴(yán)格時(shí),，保持低成本的一個(gè)好方法是用NiMH電池。這需要一個(gè)DC-DC變換器升壓,，一般從1.3V電池電壓提升到器件可用的電壓(一般為3.3V),。由于任何電池供電器件需要穩(wěn)壓器，所以,，DC-DC變換器僅僅是一個(gè)不同的穩(wěn)壓器。

　　圖6所示電路,，用獨(dú)特的方法為NiMH電池充電,，并且不用外部FET在 USB輸入和電池之間切換系統(tǒng)負(fù)載。“充電器”實(shí)際上是一個(gè)工作在電流限制下的DC-DC升壓變換器(U1),。以300和400 mA之間的電流為電池充電,。盡管沒有精密的電流源，但它具有適當(dāng)?shù)碾娏骺刂?，甚至在電池短路時(shí)也能夠保持電流控制,。DC-DC充電拓?fù)湎鄬?duì)于一般線性方案的最大優(yōu)勢是能有效地利用有限的USB電源資源。在以400mA電流NiMH電池充電時(shí),，電路從USB輸入僅汲取150mA,。而充電時(shí)剩余350mA用于系統(tǒng)。

　　二極管D1實(shí)現(xiàn)從電池到USB的負(fù)載拉出,。不連接USB時(shí),，升壓變換器產(chǎn)生3.3V輸出。連接USB時(shí),，D1上拉DC- DC升壓變換器(U2)輸出到4.7V左右,。當(dāng)U2輸出上拉時(shí)，它自動(dòng)關(guān)閉而從電池汲取的電流小于1mA。在USB連接時(shí),，若對(duì)于輸出從3.3V變換到 4.7V不能接受,則可以加入一個(gè)與D1串聯(lián)的線性穩(wěn)壓器,。

　　此電路的限制是依靠系統(tǒng)來控制充電結(jié)束。U1僅僅做為一個(gè)電流源,，若長期不管它,，它將會(huì)過充電電池。R1和R2置U1的最大輸出電壓為2V,，做為安全限值,。“Charge Enable”(“充電使能”)輸入起到系統(tǒng)結(jié)束充電作用以及枚舉前降低USB負(fù)載電流的作用，這是由于充電器的150mA輸入電流大于一個(gè)負(fù)載,?！?br />  

圖4 SOT-23功率MOSFET可增加有用的性能(如過壓保護(hù)和加外電源時(shí)斷開電池)。當(dāng)電池充電無負(fù)載時(shí),，有效電源直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),。

圖5 簡單的設(shè)計(jì)使USB電源不直接接到負(fù)載，而是由DC輸入到負(fù)載,。當(dāng)USB連接時(shí),，系統(tǒng)仍然由電池供電，而電池也正在充電,。