窃取USB端口电源

除了升级台式计算机老化的串行和并行端口的数据处理能力之外,USB还提供可用于为外围设备供电的电压源。表1总结了USB规范对设备的要求(参考文献1和2)。显示,主机设备提供5V电源,在最坏的情况下仅能提供2.25W的功率。在某些情况下,此电源对于外围设备来说是不够的,您必须使用替代电源,例如墙上适配器或离线电源。在其他情况下,这种功率远远超过必要,您可以使用低成本的线性稳压器为外设产生电源电压。如果您选择使用端口电压,则USB功率限制需要使用高效电源设计,并使系统在成本,效率和尺寸方面的权衡变得复杂。

USB规范包括通过电源接口对电流限制的详细要求。例如,当设备连接到USB端口时,为旁路电容充电的电流浪涌可能会在主机设备电源上产生毛刺。USB规范通过两种方式限制初始电源浪涌来解决此问题:外围设备仅允许小于10μF的旁路电容,并且在指定时间内从总线吸取的电荷限制为50μC。将设备连接到USB端口后,规范会对电流消耗施加进一步的限制。主机首先将任何外设识别为低功耗器件,其限制为小于100 mA的电流。然后外围设备可以通过称为枚举的过程要求主机将其识别为高功率设备。枚举完成并获得许可后,外围电流限制将增加至500 mA。USB规范还包括支持远程唤醒的挂起模式。该模式将低功耗器件的静态电流限制为500μA,高功率器件的静态电流为2.5 mA; 它通常需要开关来关闭外围设备电子部件的电源。

USB规范已经活跃了近十年; 1.0版于1995年11月发布。许多旨在满足原始1.0版规范的产品不能完全满足当前的限制要求。连接到PC的单个产品可能没有问题,电流过大; 然而,以集线器布置连接的多个产品将激活集线器中的过电流。版本2.0有望更加严谨。

浪涌限制和功率分段

您可以将USB产品配置为单个外围设备,直接连接到主机或通过集线器连接到主机的一组外围设备。在单外设的情况下,除非在电源电压上放置一个大输入电容,否则限流要求很少会出现问题。在集线器的情况下,需要限流,因为插入集线器的外围设备的性质是未知的。

您可以使用带有外部控制电路的分立功率器件或集成在控制器中的开关来实现电流限制。在更高功率的应用中,离散方法通常会产生更低成本的选择。然而,集成方法在低功率应用中具有吸引力。由于USB涉及低电压和低电流,许多制造商正在开发针对这些市场的IC。图1给出了典型电路。第一个输出是可调节线性稳压器,可配置为0.9至3.3V输出。您可以使用此输出为集线器控制器和其他电子设备供电。第二个输出是一个开关输出,为连接到集线器的外围设备供电。

集成方法提供了许多期望的特征。器件比分立器件的器件更加坚固耐用,因为热量限制可监控通过元件的温度,并在检测到温度过高时关闭器件。该开关提供两级电流限制,以防止主电源总线出现故障。初始上电电流限制在100 mA,直到输出达到输入电压的93%。枚举USB控制器后,电流限制将升至500 mA,这是高功率外设的典型特征。

表2比较内部和外部开关方法。内部开关方法中的传输元件具有更高的电阻,因为硅芯片区域在内部开关中成本更高,因为IC器件结构中的掩模电平比简单的MOSFET更多。通常,IC使用超过20个掩模级别; MOSFET使用8到10个电平。内部开关方法占据外部开关方法所占面积的不到60%。更高的集成度消除了至少两个半导体封装并导致差的互连效率。此外,更高的集成度提供更高的可靠性,因为它不需要键合线和焊点。内部开关的过温保护进一步提高了可靠性。外部开关不提供经济有效的方法来测量MOSFET温度,以保护其免受短路负载的影响。目前的折返和功率循环技术可以提供帮助,但它们不能提供热关断的稳健性。最后一栏表2列出了两种方法之间的成本比较。费用几乎相同,并对每项要求进行仔细研究。通常,成本非常接近,因为外部开关方法使用多个半导体封装,而集成开关方法仅使用一个封装。每个软件包都有自己的组装和测试开销,使整个系统级成本几乎相等。

- 电压数字电子

您可以通过多种方式从USB生成低电压,如3.3V。假设效率为95%,由于输入功率限制为2.25W,3.3V输出的最大电流限制为0.65A。您可以使用线性稳压器,开关电源和电荷泵来产生这些较低的电压。开关电源可以是同步的或常规的。同步电源更有效但成本更高; 但是,您可以使用它们从USB获得尽可能多的电量。

线性稳压器方法是用于从5V USB总线产生较低电压的最低成本和最高密度选项。当功率不成问题时,线性稳压器是首选电路。但是,当功率成为问题时,开关稳压器可以更有效地为外设供电。图2显示了可用的最低成本降压开关稳压器选项之一。在该电路中,FET的开关Q 1控制“降低”提供给输出滤波器的平均电压,然后平滑开关波形。外部FET提供了设计灵活性,允许您使用导通电阻低于集成FET控制器的器件,并可能实现更高的效率。该电路的缺点是缺乏控制器集成需要使用外部FET和驱动电路,使电路相对较大。

图2中的电路消耗了续流二极管D 1中总功率损耗的很大一部分电路如图3所示用N沟道FET取代该二极管,使其成为同步降压转换器,并显着提高转换器效率。使用该电路,您可以在很宽的负载范围内实现效率提升。在轻负载时,脉冲跳跃可以减少栅极驱动损耗。转换器检测输出电压何时降至标称电压设定值的2%。此时,转换器切换直到输出达到上限阈值,然后自身进入休眠模式,因为负载再次将输出电容放电到下限阈值。该电路提供了出色的效率,但成本高于图2中的电路其电路面积也略小于图2中的电路面积,主要是因为控制器可以在1 MHz的最大频率下工作。这种能力允许显着更小的电感器和更小的I / O电容器。

将顶部FET,底部FET,驱动电路和反馈补偿集成到控制器中,可提供小型,集成且高效的转换器选项。它变得越来越流行,因为它通常设计简单并且设计周期短。提供的软件有助于设计,使非专家能够设计电源。TPS5431x和TPS5461x Swift系列等控制器提供了这种集成,但由于增加了性能和功能,因此成本更高。

电路区域通常可以是关键的设计参数。图4中的降压电荷泵是电路面积小的一种选择。它只需要四个陶瓷电容器和一个电荷泵控制器。控制器使用内部FET,连接两个不同串联或并联配置的飞电容器,将其能量转储到输出端。输入电压和负载自动设置内部FET配置。在重量超过150 mA的负载下,控制器充当低压差稳压器,并完全停止使用开关电容。最大输出电流限制为0.25A,这将该电路限制为仅适用于低功率应用。对于1至50 mA的轻负载,效率为80%至90%,但在低压差模式下工作时,效率降至约65%以上。由于陶瓷电容器的低成本,图4中的设计成本最低。

表3总结了低压降压选项。它还列出了效率,成本和电路面积。那么什么是正确的选择?当您能承受损失时,您的首选应该是线性稳压器。然后,查看电荷泵并根据转换率确定其损耗。之后,评估非同步调节器。最后,看看同步调节器。在每种情况下,系统成本和尺寸都会增加,但负载可用的功率更大。开关电源的第二级折衷涉及内部和外部FET之间的决定。外部FET的成本通常较低,但内部FET的设计时间,元件数量和尺寸较小。

更高的电压模拟

通常需要更高的传统电压,例如5和12V,以给模拟电路供电。这些输出上的负载通常不像其数字电压对应物那么重,通常小于100 mA。图5中的升压调节器在5V USB输出电压范围内工作时提供12V和120 mA的电流。在此设计中,控制器集成了FET和反馈电阻网络,从而最大限度地减少了部件总数。这种方法的缺点是电路块不提供电流限制。如果将12V短路接地,则V IN,L 1或D 1路径中的任何内容都不会限制电流。

另一种拓扑结构SEPIC(单端初级电感转换器)可通过提供内置电流限制来克服这一缺点。此外,SEPIC转换比率高于和低于输入电压,与升压调节器不同,升压调节器的比率仅包括大于V IN的电压由于USB电压范围为4.5至5.5V,图6所示的SEPIC 是5V输出的最佳选择。该SEPIC使用同步整流器Q 1来减少输出二极管的损耗,并将效率提高几个百分点。1仅在Q的开/关转换进行1,以防止Q的本征二极管1从进行。其他优势包括低输入纹波电流和固有电流限制。在负面,SEPIC需要增加隔直电容C 1隔直电容和输出电容必须处理大脉冲电流。它们需要高均方根纹波电流额定值,并具有低等效串联电阻,以最大限度地降低输出纹波电压。通常选择陶瓷电容器是因为它们具有高纹波电流额定值和低成本。

图7显示了从单个同步降压转换器提供双输出电压的另一种选择。当底侧FET(内部到

TPS62000
导通,FET Q 1导通,输出电容器C 1通过在次级L 1上产生的附加电压充电1的两个绕组之间的匝数比确定辅助电压的电平。1上的电压堆叠在3.3V稳压输出上,因此对于5V辅助输出,电路需要在L 1的次级上产生额外的1.7V电压2:1匝数比在此应用中效果很好。对于低电流水平,内部底部FET和Q 1上产生电压降它们彼此同相开启,很小并经常相互抵消。这些FET压降可能不会显着增加输出电压容差误差,并且可以实现良好的调节。

 

表4列出了为模拟负载产生更高电压的一些选项的比较。同样,这一决定涉及成本,绩效和损失之间的权衡。如果功率不是问题,首先要考虑的是电荷泵。当损耗成为问题时,开关稳压器可能会得到保证。第一个要考虑的电路,特别是在使用降压稳压器的情况下,是图7的辅助绕组方案它具有最低的成本和最低的效率降低。接下来是SEPIC和升压调节器。对短路保护的需求决定了哪种方法最好。如果不需要限流或者系统可以在其他地方使用,可以选择升压调节器以提高效率。在降压调节器中,同步和非同步操作以及内部和外部开关也存在折衷。

USB供电的DSL-modem电源

图8中的电路是一个完整的USB供电电源的示例,具有3.3,5和12V输出。在3.3V时为0.32A,5V为0.05A,12V为0.05A时,测量的总效率为89.5%。该效率允许输入功率保持低于2.25W的最大限制。在工作时,只允许3.3V输出在导通时上电,总线控制器将5和12V使能引脚保持为低电平。在低功耗模式下上电期间,系统从3.3V输出消耗的电流不超过100 mA。然后枚举来自总线控制器,允许5和12V上电。该设计采用升压拓扑结构,用于5V和12V输出,3.3V输出为5V功率级输入供电。两个升压调节器的控制器都是低成本的双通道

TL1451A
该设计实例的方法以低成本和高效率为目标,而不是小面积。图9显示了完成的硬件的照片,其尺寸为1.5×3英寸。

 

2.25W的可用输入功率和外设负载要求推动了USB应用的电源设计。设计过程应包括仔细分析负载电流,然后通过程序将其最小化。确定负载后,电源工程师应开发多个涉及上述拓扑的方框图,以开发成本最低,功耗最低,符合USB标准的方法,占用面积最小。支持这些设计的IC的广度是多种多样的,设计人员可以争取最大程度的集成,最低成本或易用性。

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