USB接口規范表明該接口能夠為設備供電，隨著并口向串口的轉變，各種設備發生了戲劇性的變化，能夠方便地與PC機連接。

除了直接對USB設備供電，USB電源最有用的功能之一就是對電池充電。許多便攜設備，如MP3播放機、PDA等，都需要與PC機進行數據交換，如果在與PC機進行數據交換的同時，能夠利用同一根電纜對電池充電，會極大地方便設備的使用。將USB功能與電池充電功能結合能夠使大量設備免受電源線的束縛，如可移動網絡照相機，無論是否與PC相連都可以工作。在許多情況下，都不再需要那些曾經使用過的、笨拙的交流適配器。

USB電池充電可能很復雜，也可能很簡單，這取決于USB設備的要求。影響設計的因素不僅包括通常的成本、尺寸、重量等。其它重要因素還包括：1) 電池耗盡的設備插入USB端口時，要求多快開始全功能運行；2) 允許電池充電的時間；3) 在USB功率限制范圍內的功率分配；4) 是否需要一個交流適配器充電。這些問題和相應解決方案會在討論USB的功率問題后進行研究。

USB功率

所有USB主機，如PC機和筆記本電腦，每個USB插孔都能支持最少500mA電流輸出或驅動5個“單位負載”。在USB術語中，“一個單位負載”是100mA。自帶電源的USB集線器也能驅動5個單位負載。總線驅動的USB集線器只能保證驅動一個單位負載(100mA)。按照圖1所示的USB規范，由USB主機或帶電源的集線器提供的，電纜外設端的最小可用電壓為4.5V，而由USB總線驅動的集線器提供的最小電壓為4.35V。用這些電壓對充電電壓典型要求為4.2V的Li+電池充電時，只有很小的裕度，這使得充電器的壓降變得極為重要。

圖1. 摘自通用串行總線規范2.0版的USB壓降示意圖

所有接入USB端口的設備啟動時消耗電流都不能超過100mA。與主機進行通信后，設備才能決定是否可以用足500mA電流。

USB外設的插座分兩種，都比PC機和普通USB主機的插座小。“B系列”和更小的“Mini-B系列”插座如圖2所示，B系列由引腳1 (+5V)和4 (GND)供電，Mini-B系列由引腳1 (+5V)和5 (GND)供電

圖2. 這些USB外設插座不同于較大尺寸的主機和集線器4引腳插座，電源和數據引腳如圖所示

一旦與主機連接，所有USB設備都必須首先讓主機識別自己。這一動作被稱為枚舉。在本文結尾處專門討論了實際中此規則的例外情況。在識別過程中，主機決定接受或拒絕USB設備的功率要求，如果接受，可以將設備的電流從最大100mA增加到最大500mA。

簡單的USB/交流適配器充電

一些最基本的設備不需要軟件開銷來管理和優化對USB電源的使用。如果設備負載電流限制在100mA以內，任何USB主機，自帶電源的集線器，或總線驅動的集線器都可以驅動。這類設計，可采用圖3所示的一個基本充電器加一個穩壓器的配置。

圖3. 使用簡單的100mA USB充電和350mA交流適配器充電，USB充電電流不超過一個單位負載(100mA)，不需對充電器枚舉。3.3V系統負載始終取自電池。

這電路中，設備何時與USB或交流適配器連接，何時開始對電池充電。同時系統負載一直保持與電池相連，在此例中通過一個最大可提供200mA電流的簡單的線性穩壓器(U2)。如果系統持續消耗如此大的電流，而電池只以100mA的電流通過USB充電，最終電池還是會因負載電流大于充電電流而放電。在許多小型系統中，負載峰值電流僅在整個工作期間的部分時段發生。因此，只要平均負載電流小于充電電流，電池仍然會被充電。連接交流適配器時，充電器(U1)的最大電流上升到350mA。如果USB與交流適配器同時連接，自動給予交流適配器優先權。

USB規范要求U1具備的一個特性(而且，一般來講對于充電器也是有利的)是電流不允許從電池或另一個電源回流到電源輸入端。在傳統的充電器中，可通過輸入二極管保證，但USB最小電壓(4.35V)與Li+電池充電所需電壓(4.2V)之間差異太小，以致肖特基二極管也不適用。因此，所有回流路徑在U1的IC內部被阻止。

圖3所示電路受到一些限制，也許不適用于某些可充電的USB設備。最明顯的限制是相對較低的充電電流，如果Li+電池的容量大于幾百毫安時，充電時間就會很長。第二個限制是由于負載(線性穩壓器的輸入)總是與電池相連。在此例中，如果電池已深度放電，設備加電時也許不能立即開始工作。這是因為電池達到設備工作所需的電壓前有一定的延遲時間。

負載切換和其它改進

在更先進的系統中，需要對充電器內部和外圍電路進行多處改進，這些改進可能包括：可選的充電電流，以便匹配源(USB或交流適配器)或電池的電流能力；電源接入時的負載切換；以及過壓保護。圖4所示的電路中，利用充電器IC內部的電壓監測器驅動外部MOSFET，實現了部分上述功能。

圖4. SOT-23封裝的功率MOSFET增加了如過壓保護、使用外接電源時電池離線等有益的特性。電池離線時由工作電源直接供電。

MOSFET Q1和Q2，二極管D1和D2繞過電池，直接將可用的電源(USB或交流適配器)連接到負載。當某個電源輸入有效時，其監視輸出(UOK或DCOK)變低，相應的MOSFET管導通。當兩個輸入都有效時，DC輸入優先使用。U1可防止兩個輸入同時被使用。二極管D1和D2用來阻斷系統負載供電通路與輸入之間的反向電流。而充電器內部電路可以阻斷充電通路(BATT)的反向電流。

MOSFET Q2還可提供交流適配器過壓保護，保護電壓最高達18V。欠壓/過壓監視器(在DC端)只允許交流適配器電壓在4V至6.25V之間時對電池充電。

最后一個MOSFET，Q3，在沒有有效的外部電源接入時導通，用電池向負載供電。當USB或DC電源任何一個接入時，“電源通”(PON)輸出立即關閉Q3，將電池與負載斷開。這樣當有外部電源接入時，即使電池深度放電或已損壞，系統仍能立即開始工作。

USB設備連接時，先與主機通信決定負載電流是否可以增加，如果被允許，負載電流可以從開始時的一個單位負載上升到五個單位負載。5比1的電流范圍對不是專為USB設計的傳統充電器來說可能會有問題。問題在于傳統充電器的電流精度，盡管在高電流時精度足夠，但在低電流時會受到電流傳感電路失調的影響。結果可能是為了保證充電電流在低端(一個單位負載)不超過100mA限制，電流必須被設置在非常低的水平，從而導致無法使用。例如，對于精度為10%的500mA電流，為了保證不超過500mA，輸出只能設置為450mA。僅就這一點而言還是可以接受的，但是，為了保證在低端的充電電流不超過100mA，平均電流只能設置成50mA。最低值可能會低至0mA，顯然這是無法接受的。如果要求USB充電在兩個范圍內都有效，就需要有足夠的精度，以便提供盡可能大的充電電流，同時又不超越USB的限制。

在一些設計中，由于系統功率需求的關系，不可能用低于500mA的USB預算功率分別對負載供電和對電池充電。但是，使用交流適配器沒有問題。圖5所示電路，是圖4電路的簡化，用一個高性價比的方案滿足了這一需求。USB電源并不直接與負載連接；充電和系統運行仍然使用USB電源，但系統保持與電池連接。此設計的局限性與圖3所示電路相同——如果USB接入時電池已深度放電，系統要經過一定延遲才能正常工作。但如果連接DC電源，圖5電路能夠以同圖4電路一樣的方式工作，無論電池狀態如何都不需等待。這是因為Q2被關斷，系統負載由電池切換到了通過D1的DC輸入上。

圖5. 一個簡化的設計，USB電源并不與負載直接相連，但DC輸入與負載直接相連。當連接USB時，系統仍然采用電池供電，而同時電池被充電。

鎳氫電池充電

盡管Li+電池能為大多數便攜式信息終端提供最佳性能，但鎳氫(NiMH)電池仍為最低成本的設計提供了一個可行的選擇。當負載要求不太高時，使用鎳氫電池是一個降低成本的好方法。這需要使用一個DC-DC轉換器將1.3V的電池電壓升至設備可使用的電壓，典型為3.3V。因為任何電池供電設備都需要某種類型的穩壓器，而DC-DC僅是一種不同類型的穩壓器，并不是額外增加的。

圖6所示電路使用了一種不尋常的方法來對NiMH電池充電，并且在不使用外接FET的情況下，在USB輸入和電池之間切換對系統負載的供電。“充電器”實際上是一個電流受限的DC-DC降壓轉換器(U1)，它用300mA至400mA的電流對電池充電。盡管不是一個精確的電流源，但其適度的電流控制精度仍能滿足充電要求，即使電池短路也能保持對電流的控制。使用DC-DC充電相比更常見的線性電路，一個很大的優越性就在于能夠高效地利用有限的USB功率。當以400mA電流對一節NiMH電池充電時，電路僅從USB輸入端汲取150mA的電流。在充電的同時留出了350mA電流可供系統使用。

圖6. 一個簡單的NiMH充電/供電電路，不需使用復雜的MOSFET開關就可自動切換到USB供電。

負載由電池到USB的切換，是通過USB電源與boost轉換器輸出之間用二極管(D1) “或”實現的。當USB斷開時，boost轉換器產生3.3V輸出。USB連接時，D1將DC-DC升壓器(U2)輸出拉升至約4.7V。U2輸出被拉升時會自動關斷，關斷后從電池汲取的電流不超過1μA。如果不允許接入USB時輸出從3.3V變成4.7V，可用一個線性穩壓器與D1串聯。

此電路的一個局限是要依賴系統控制結束充電。U1僅作為一個電流源，如果不加限制，會對電池過度充電。R1和R2設置U1最大輸出電壓為2V，作為一個安全界限。充電使能輸入端被系統用來終止對電池充電。另外，因為150mA的充電器輸入電流大于一個單位負載，如果需要，在枚舉之前還可作為降低USB負載電流的手段。

鮮為人知的USB特性

有趣的是無論任何標準，都能看到實際應用與印刷出來的規范有一定差異，或規范沒有定義的部分得到很大發展。盡管USB在大部分時間毫無疑問都是經過深思熟慮的、可靠的、有用的標準之一，但也不能不受現實世界的影響。這里提供一些觀察到的USB特性，也許不明顯，但仍會影響電源的設計。

USB端口并不限制電流。盡管USB規范詳細規定了每個USB端口必須提供多少電流，但對于它能夠提供多少電流，規范給出的界限卻極為寬泛。盡管定義了電流上限不能超過5A，但一個明智的設計者不應該依賴于這個信息。任何情況下，都不認為每個USB端口會將它的輸出電流限制在500mA，或附近的一個值。實際上，USB端口輸出的電流經常超過幾安培，因為多端口系統(如PC機)經常只有一個保護器件公用于所有的端口。保護器件被設定在所有端口總額定功率之上。因此，一個4端口系統，如果其余3個端口未被使用，一個端口就可提供超過2A的電流。此外，盡管一些PC機使用精度為10%至20%的IC保護方案，其它大多使用非常不精確的自復保險絲，只有負載功率超出額定值100%或更高時才會觸發。

USB端口很少(從不)關斷電源。USB規范對此并沒有說明，但人們時常認為如果枚舉失敗，或遇到其它軟件或固件問題，USB電源可能被關斷。但實際情況是，除非有電路故障(如短路)，沒有USB主機會關斷USB電源。也許會有例外，但是目前還沒有見到。筆記本和主板生產商甚至不愿意為故障保護買單，更不用說智能電源切換了。因此，無論USB外設與主機的對話是否發生，5V一直可以利用(電流為500mA或100mA，也許為2A或更高)。USB供電的閱讀燈、咖啡杯加熱器以及其他一些諸如此類沒有任何通信能力的產品的出現就證明了這一點。它們可能并不“守規”，但它們工作的很好。

審核編輯：郭婷