USB3.0外设电源设计技术(一)

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       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。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。

  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。

  USB外设电源的输入电压既已确定,其输出电压的高低便成为选择电路结构形式的决定性因素。目前最常用的标准电源电压,有3.3V、5V和12V等几种。

  许多USB数字设备采用3.3V电源,倘若电源变换效率以95%计,则其最大可用电流约为0.65A。此时只要功率裕量足够,可以首选线性稳压器件,因其成本最低,所需外围元件也少,只是电源效率较低,不可能超过67%。若对效率有所讲求,不妨考虑“电荷泵”器件,因其虽在成本与体积方面稍逊于前者,但在变换效率方面占有明显优势。不过此类器件的负载能力通常较弱,只能满足上述低功耗装置的要求。若是需要获取尽可能多的有用功率,那就只能采用效率更高的降压型开关稳压电路,但是成本与体积亦将随之增加。当然,即使已经决定采用开关电源,其实仍有几种电路形式可供选择。

  一般说来,开关电源集成器件分为两种类型,即需要外接功率开关(多为功率型MOSFET)的“开关电源控制器”以及片内自带集成功率开关的“单片开关电源”。前者成本稍低,并且易于获得较低的功率开关导通电阻而有利于提高电源变换效率;后者则以体积小巧见长,并且能对功率开关实现完善的过热、过流保护。此外,两类器件又均各有“常规型”(亦称“异步型”或“非同步型”)与“同步型”之分;后者采用受控MOSFET取代前者的续流二极管,虽然成本较高,但因MOSFET的导通压降通常明显低于二极管的正向压降,由此至少可将开关电源的变换效率提高几个百分点,所以两者各有优劣而同时并存至今。

 

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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。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。