USB标准中一个很好但是却被最少提起的功能，是由主机端供应连接到USB周边设备的电源，这个创新的设计改变了过去的串列与并列连接埠，大幅提高了可以便利地连接到个人电脑的设备种类。

除了直接提供USB设备电源外，USB供电的最有用功能之一是用来进行电池充电，由于许多可携式设备，如MP3播放机与PDA等，会与个人电脑交换资料，因此如果电池充电与资料交换能够同时在同一条连接线上完成的话，将可以大大提升使用的方便性。将USB连线与电池充电功能结合，将可以带来许多新的设备应用，例如可拆卸的网路摄影机，将可以在不管有没有连接到个人电脑的情况下都能运作，也就是在许多应用中，可以省略相当不方便的变压器电源。

透过USB进行电池充电可以相当复杂，也可以相当简单，主要依USB设备的需求而定，影响设计的除了通常所面临的成本、体积与重量外，其他的主要考量还包括：

这些考量以及相关的解决方案将在以电源的角度进行USB讨论后进行。

USB电源

所有的USB主机端设备，如个人电脑与笔记型电脑可以提供最少500mA或五单位负载（unit load）的电源，在USB的术语中，一单位负载为100mA，自身拥有电源的USB集线器也可以提供五单位负载，透过USB供电的集线器则仅保证提供一单位负载，依USB规格，如(图一)，USB主机端或集线器在连接线周边端的最低电压为4.5V，USB供电集线器的最低电压则为4.35V，对锂离子电池充电需求来说，这些电压可利用的空间相当有限，因此充电电路的压降就变得相当重要。

《图一 USB的压降（取自USB 2.0版规格）》

所有插入USB连接埠的设备在开始时耗电必须小于100mA，在与主机端沟通后，设备才能够决定是否可以使用500mA。

USB周边设备可以使用两种插座之一，这两种插座都比个人电脑或其他USB主机端的插座还小，B型（Series B）与更小的迷你B型（Series Mini-B）插座可见(图二)，在B型插座中，电源由Pin1（+5V）与Pin4（GND）取得，迷你B型中则由Pin1（+5V）与Pin5（GND）提供。

《图二 B型与迷你B型插座》

在连线以后，所有的USB设备必须对主机端提出辨识资料，这个动作就称为列举（enumeration），在文章的最后我们会讨论到某些例外情况，在设备的辨识过程中，主机端会决定USB设备的所需的电源，并且给予同意或否决设备将负载需求由100mA提升到500mA的要求。

简单USB/AC变压器充电

某些相当基本的设备可能不需要能够决定并将USB电源作最佳利用的软体负担，如果设备的负载电源限制在100mA，也就是USB所谓的一单位负载内，那么任何的USB主机端、自有电源集线器或透过汇流排供电的集线器都可以安全地用来提供设备电源，对于这样的设计，采用简单的充电器与稳压器设计就可以满足需求，如(图三)。

《图三 简易充电器与稳压器设计电路图》

这个电路可以在设备插入USB或连接到AC变压器时进行电池充电，同时，系统负载也随时连接到电池上，在这个例子中，透过简单的线性稳压器（U2）可以提供达200mA的电流，如果系统持续使用这样的电流，而电池透过USB以100mA充电的话，由于负载电流高过充电电流，因此电池还是在放电状态。在大部份的小型系统中，最高负载只在整个运作中的部份时间发生，因此平均负载电流还是会低于充电电流，也就是整体来说电池还是在充电状态，当AC变压器连接上后，充电器的最高电流可以提升到350mA，如果是同时连接USB与AC变压器的情况，那么AC变压器会自动取得优先权。

U1需要具备USB规格特性同时也是充电器的基本设计要求，即是绝不允许电流从电池或其他电源输入端回流到电源的输入端，在传统的充电器中，这可以透过在输入端加上二极体来达成，但最低USB电压（4.35V）与所需锂离子电池电压（4.2V）间的微小差距，使得什至采用萧特基二极体都不可行，因此所有的反向电流路径都在U1晶片中予以阻绝。

图二中的线路有一些可能让它无法适用于某些可充电USB设备的限制，最明显的是相对较低的充电电流，如果在锂离子电池容量超过数百mA小时时就需要相当长的充电时间，第二个限制则发生在负载，也就是线性变压器的输入一直连接到电池时，如果电池过度放电的话，系统可能无法在插入时立即运作，因为在电池电压达到足以让系统正常运作前会有时间上的延迟。

负载切换与其他强化功能

在更先进的系统上，通常需要对充电器进行一些强化动作，可能包括可选择的充电电流以符合USB、AC电源或电池的电流供电能力、电流接上时的负载切换以及过电压保护等等，(图四)中的电路透过由充电晶片中电压侦测器所推动的外加MOSFET来加入部份功能。

MOSFET Q1与Q2以及二极体D1与D2可以将电池旁路并将USB或AC电源输入直接连接到负载上，当其中一个电源输入有效时，它的监测输出（UOK\或DCOK\）会变成低电位以导通相对的MOSFET，当两个电源输入都有效时，直流输入就取得优先权。 U1可以避免两个输入在同时间启动，二极体D1与D2则可以避免反向电流透过系统负载电源路径在输入间流动，而充电器也内建避免反向电流流经充电路径的电路。

MOSFET Q2同时也提供AC变压器达18V的过电压保护，在直流端的电压过低或过高监测电路可以限制充电动作只在AC变压器输出电压介于4V与6.25V之间才能进行。最后一个MOSFET Q3则会在没有外部电源时导通，以连接电池到负载，当USB或直流电源连接时，电源导通（Power On； PON）输出会立即关闭Q3以隔绝电池与负载，这样做可以让系统在外加电源加入时立即运作，甚至是在电池过度放电或损坏的情况下。

当连接到USB埠时，USB设备会与主机端沟通来决定负载电流是​​否能够提高，负载电流从一单位负载开始，并在主机允许的情况下提升到五单位负载。这个五到一的电流范围对不是针对USB应用设计的传统充电器来说可能会造成问题，主要的问题是传统变压器的精确度虽然在高电流可以适用，但是在低电流时会受到电流感测电路偏移的影响，所造成的结果是，为了确保不会过100mA的限制，一单位负载范围的充电电流在设计时可能会低到无法使用，例如以500mA时10％的精确度来说，输出必须设定为450mA以确保它不会超过500mA，这一方面看来可以接受，但是如果要确保低充电电流不会超过100mA，那么正常的电流必须要设定在50mA，也就是说最低的充电电流可能是0mA，事实上这并不可行，如果USB充电应用要在高低电流的情况下都有效的话，那么就必须要在不超过USB限制的情况下达成足够的精确度以取得最大可能的充电电流。

《图四 具备外加MOSFET的充电芯片电路》

在某些设计中，由于系统电源的需求，以有限的500mA USB电流，可能无法在供电给负载的同时对电池进行充电，但透过AC变压器则不是问题。；(图五)为图四的简化版本，可以以相当有成本效益的方式达成这个功能，其中USB电源不直接连接到负载，虽然充电与系统运作还是透过USB电源，但系统还是连接到电池上，所面临的限制与图三一样，如果在连接​​上USB时电池已经过度放电，那么在系统正常运作前就会有些延迟，不过如果直流电源存在，那么图五就可以与图四一样不管电池状态如何而能够立即运作，原因是Q2阻断，将系统负载透过D1由电池连接到直流输入。

《图五 简化的充电芯片电路设计》

镍氢（NiMH）电池充电

虽然锂离子电池提供给大部份便携式资讯设备最佳的效能，但是镍氢电池还是低成本设计的良好选择。一个在负载需求并不严苛的情况下维持低廉成本的方法是采用一个镍氢电池，这将需要能够将1.3V电压提升转换到设备可使用3.3V电压的直流直流转换器。由于任何以电池为电源的设备本来需要某些稳压器功能，因此以直流直流转换器来说只是选择一个不一样的稳压器，而不是额外的成本。

(图六)中的连结采用较不一样的方式来对镍氢电池充电，并且不使用外部FET来进行系统负载在USB输入与电池间切换，充电器本身事实上是一个在电流限制模式下运作的直流直流降压转换器（U1），它以300到400mA间的电流对电池进行充电，虽然不是一个精密的电流源，但却有适当的电流控制功能，同时能够在电池短路时维持电流控制。比起常见的线性方式，直流直流充电方式的一项重大优势是能够有效率地使用有限的USB电源，当以400mA对一个镍氢电池进行充电时，整个电路只会由USB输入提取150mA的电流，而保留了350mA供系统使用。

而将负载由电池移到USB的动作则是透过二极体以OR方式将USB电源与升压转换器输出连接，当USB移开时，升压转换器会产生3.3V的电压输出，在连接上USB时，D1会将直流直流升压转换器（U2）的输出提升到约4.7V，当U2的输出以这个方式提升时，它会自动关闭并且由电池的耗电会低于1uA，如果在连接USB时将输出由3.3V提升到4.7V的变动不被允许的话，那么就可以让D1串联一个线性稳压器。

这个电路的一个限制是必须依赖系统来控制充电的终止，U1仅扮演电流源的角色，如果没有加以控制的话，可能会有过度充电的情况发生，图中R1与R2将U1的最高输出电压设为2V做为安全界限，而“充电启动”（Charge Enable）输入功能也可以做为系统停止充电以及在必要时降低USB启动负载电流的控制，原因是充电器的150mA输入电流超过了一个单位负载。

《图六 镍氢电池充电电路设计》

结语──您所不知道的USB

对任何标准来说，观察由规格到真正实现过程的变化，或者是规格中未明白定义部份的实作通常相当有趣，虽然USB无庸置疑地已经是考虑最完整、最可信赖也最有用的标准之一，但是它也不能免除这个困扰，部份可能不太明显，但会影响电源设计的USB特性为：

1.USB连接埠并不会限制电流

虽然USB规格提供了USB连接埠必须供应多少电流的明确规定，但是对于它可以提供的大小却有许多可能，虽然最高限制为电流不超过5A，但是聪明的设计者绝对不会采信，在任何情况下，USB连接埠绝对不能够信赖它会将输出电流限制在500mA或附近，事实上，由连接埠所提供的输出电流通常超过数安培，原因是多重连接埠系统，如个人电脑通常在系统中只会对所有连接埠提供一个保护元件，这个保护元件会设定为所有连接埠的功率总合，因此对一个四埠系统来说，在其他连接埠不用的情况下，单一连接埠可能会提供超过2A的电流，更何况某些的个人电脑采用10到20％精确度的晶片式保护方式，有些则可能采用精确度较差的元件，如会自动重置的复晶矽熔线（poly-fuse），甚至会在负载超过100％或更高时才会启动。

2.USB连接埠很少甚至不会关闭电源

USB规格并没有提到这些，但是通常我们会认为USB电源可能会因为列举失败或者其他软体或韧体问题而移除电源，但在实际应用上，没有USB主机端会因为电气以外的问题而关闭USB电源，但情况总有例外，虽然现在还没见到实例发生。笔记型电脑与主机板制造商通常不愿意负担错误保护的成本，更不要说是智慧型的电源切换，因此不管USB周边与主机端之间的沟通如何，5V电源还是会永远存在，所以这就是为什么我们可以看到市场上已经推出了USB供电的阅读灯、咖啡保温器以及其他没有通讯能力的类似产品，虽然并不见得符合规格，但却能够真正运作。

（作者任职于美信Maxim Integrated Products）