USB標準中一個很好但是卻被最少提起的功能，是由主機端供應連接到USB週邊設備的電源，這個創新的設計改變了過去的串列與並列連接埠，大幅提高了可以便利地連接到個人電腦的設備種類。

除了直接提供USB設備電源外，USB供電的最有用功能之一是用來進行電池充電，由於許多可攜式設備，如MP3播放機與PDA等，會與個人電腦交換資料，因此如果電池充電與資料交換能夠同時在同一條連接線上完成的話，將可以大大提升使用的方便性。將USB連線與電池充電功能結合，將可以帶來許多新的設備應用，例如可拆卸的網路攝影機，將可以在不管有沒有連接到個人電腦的情況下都能運作，也就是在許多應用中，可以省略相當不方便的變壓器電源。

透過USB進行電池充電可以相當複雜，也可以相當簡單，主要依USB設備的需求而定，影響設計的除了通常所面臨的成本、體積與重量外，其他的主要考量還包括：

這些考量以及相關的解決方案將在以電源的角度進行USB討論後進行。

USB電源

所有的USB主機端設備，如個人電腦與筆記型電腦可以提供最少500mA或五單位負載（unit load）的電源，在USB的術語中，一單位負載為100mA，自身擁有電源的USB集線器也可以提供五單位負載，透過USB供電的集線器則僅保證提供一單位負載，依USB規格，如(圖一)，USB主機端或集線器在連接線週邊端的最低電壓為4.5V，USB供電集線器的最低電壓則為4.35V，對鋰離子電池充電需求來說，這些電壓可利用的空間相當有限，因此充電電路的壓降就變得相當重要。

《圖一　USB的壓降（取自USB 2.0版規格）》

所有插入USB連接埠的設備在開始時耗電必須小於100mA，在與主機端溝通後，設備才能夠決定是否可以使用500mA。

USB週邊設備可以使用兩種插座之一，這兩種插座都比個人電腦或其他USB主機端的插座還小，B型（Series B）與更小的迷你B型（Series Mini-B）插座可見(圖二)，在B型插座中，電源由Pin1（+5V）與Pin4（GND）取得，迷你B型中則由Pin1（+5V）與Pin5（GND）提供。

《圖二　B型與迷你B型插座》

在連線以後，所有的USB設備必須對主機端提出辨識資料，這個動作就稱為列舉（enumeration），在文章的最後我們會討論到某些例外情況，在設備的辨識過程中，主機端會決定USB設備的所需的電源，並且給予同意或否決設備將負載需求由100mA提升到500mA的要求。

簡單USB/AC變壓器充電

某些相當基本的設備可能不需要能夠決定並將USB電源作最佳利用的軟體負擔，如果設備的負載電源限制在100mA，也就是USB所謂的一單位負載內，那麼任何的USB主機端、自有電源集線器或透過匯流排供電的集線器都可以安全地用來提供設備電源，對於這樣的設計，採用簡單的充電器與穩壓器設計就可以滿足需求，如(圖三)。

《圖三　簡易充電器與穩壓器設計電路圖》

這個電路可以在設備插入USB或連接到AC變壓器時進行電池充電，同時，系統負載也隨時連接到電池上，在這個例子中，透過簡單的線性穩壓器（U2）可以提供達200mA的電流，如果系統持續使用這樣的電流，而電池透過USB以100mA充電的話，由於負載電流高過充電電流，因此電池還是在放電狀態。在大部份的小型系統中，最高負載只在整個運作中的部份時間發生，因此平均負載電流還是會低於充電電流，也就是整體來說電池還是在充電狀態，當AC變壓器連接上後，充電器的最高電流可以提升到350mA，如果是同時連接USB與AC變壓器的情況，那麼AC變壓器會自動取得優先權。

U1需要具備USB規格特性同時也是充電器的基本設計要求，即是絕不允許電流從電池或其他電源輸入端回流到電源的輸入端，在傳統的充電器中，這可以透過在輸入端加上二極體來達成，但最低USB電壓（4.35V）與所需鋰離子電池電壓（4.2V）間的微小差距，使得甚至採用蕭特基二極體都不可行，因此所有的反向電流路徑都在U1晶片中予以阻絕。

圖二中的線路有一些可能讓它無法適用於某些可充電USB設備的限制，最明顯的是相對較低的充電電流，如果在鋰離子電池容量超過數百mA小時時就需要相當長的充電時間，第二個限制則發生在負載，也就是線性變壓器的輸入一直連接到電池時，如果電池過度放電的話，系統可能無法在插入時立即運作，因為在電池電壓達到足以讓系統正常運作前會有時間上的延遲。

負載切換與其他強化功能

在更先進的系統上，通常需要對充電器進行一些強化動作，可能包括可選擇的充電電流以符合USB、AC電源或電池的電流供電能力、電流接上時的負載切換以及過電壓保護等等，(圖四)中的電路透過由充電晶片中電壓偵測器所推動的外加MOSFET來加入部份功能。

MOSFET Q1與Q2以及二極體D1與D2可以將電池旁路並將USB或AC電源輸入直接連接到負載上，當其中一個電源輸入有效時，它的監測輸出（UOK\或DCOK\）會變成低電位以導通相對的MOSFET，當兩個電源輸入都有效時，直流輸入就取得優先權。U1可以避免兩個輸入在同時間啟動，二極體D1與D2則可以避免反向電流透過系統負載電源路徑在輸入間流動，而充電器也內建避免反向電流流經充電路徑的電路。

MOSFET Q2同時也提供AC變壓器達18V的過電壓保護，在直流端的電壓過低或過高監測電路可以限制充電動作只在AC變壓器輸出電壓介於4V與6.25V之間才能進行。最後一個MOSFET Q3則會在沒有外部電源時導通，以連接電池到負載，當USB或直流電源連接時，電源導通（Power On； PON）輸出會立即關閉Q3以隔絕電池與負載，這樣做可以讓系統在外加電源加入時立即運作，甚至是在電池過度放電或損壞的情況下。

當連接到USB埠時，USB設備會與主機端溝通來決定負載電流是否能夠提高，負載電流從一單位負載開始，並在主機允許的情況下提升到五單位負載。這個五到一的電流範圍對不是針對USB應用設計的傳統充電器來說可能會造成問題，主要的問題是傳統變壓器的精確度雖然在高電流可以適用，但是在低電流時會受到電流感測電路偏移的影響，所造成的結果是，為了確保不會過100mA的限制，一單位負載範圍的充電電流在設計時可能會低到無法使用，例如以500mA時10％的精確度來說，輸出必須設定為450mA以確保它不會超過500mA，這一方面看來可以接受，但是如果要確保低充電電流不會超過100mA，那麼正常的電流必須要設定在50mA，也就是說最低的充電電流可能是0mA，事實上這並不可行，如果USB充電應用要在高低電流的情況下都有效的話，那麼就必須要在不超過USB限制的情況下達成足夠的精確度以取得最大可能的充電電流。

《圖四　具備外加MOSFET的充電晶片電路》

在某些設計中，由於系統電源的需求，以有限的500mA USB電流，可能無法在供電給負載的同時對電池進行充電，但透過AC變壓器則不是問題。；(圖五)為圖四的簡化版本，可以以相當有成本效益的方式達成這個功能，其中USB電源不直接連接到負載，雖然充電與系統運作還是透過USB電源，但系統還是連接到電池上，所面臨的限制與圖三一樣，如果在連接上USB時電池已經過度放電，那麼在系統正常運作前就會有些延遲，不過如果直流電源存在，那麼圖五就可以與圖四一樣不管電池狀態如何而能夠立即運作，原因是Q2阻斷，將系統負載透過D1由電池連接到直流輸入。

《圖五　簡化的充電晶片電路設計》

鎳氫（NiMH）電池充電

雖然鋰離子電池提供給大部份便攜式資訊設備最佳的效能，但是鎳氫電池還是低成本設計的良好選擇。一個在負載需求並不嚴苛的情況下維持低廉成本的方法是採用一個鎳氫電池，這將需要能夠將1.3V電壓提升轉換到設備可使用3.3V電壓的直流直流轉換器。由於任何以電池為電源的設備本來需要某些穩壓器功能，因此以直流直流轉換器來說只是選擇一個不一樣的穩壓器，而不是額外的成本。

(圖六)中的連結採用較不一樣的方式來對鎳氫電池充電，並且不使用外部FET來進行系統負載在USB輸入與電池間切換，充電器本身事實上是一個在電流限制模式下運作的直流直流降壓轉換器（U1），它以300到400mA間的電流對電池進行充電，雖然不是一個精密的電流源，但卻有適當的電流控制功能，同時能夠在電池短路時維持電流控制。比起常見的線性方式，直流直流充電方式的一項重大優勢是能夠有效率地使用有限的USB電源，當以400mA對一個鎳氫電池進行充電時，整個電路只會由USB輸入提取150mA的電流，而保留了350mA供系統使用。

而將負載由電池移到USB的動作則是透過二極體以OR方式將USB電源與升壓轉換器輸出連接，當USB移開時，升壓轉換器會產生3.3V的電壓輸出，在連接上USB時，D1會將直流直流升壓轉換器（U2）的輸出提升到約4.7V，當U2的輸出以這個方式提升時，它會自動關閉並且由電池的耗電會低於1uA，如果在連接USB時將輸出由3.3V提升到4.7V的變動不被允許的話，那麼就可以讓D1串聯一個線性穩壓器。

這個電路的一個限制是必須依賴系統來控制充電的終止，U1僅扮演電流源的角色，如果沒有加以控制的話，可能會有過度充電的情況發生，圖中R1與R2將U1的最高輸出電壓設為2V做為安全界限，而“充電啟動”（Charge Enable）輸入功能也可以做為系統停止充電以及在必要時降低USB啟動負載電流的控制，原因是充電器的150mA輸入電流超過了一個單位負載。

《圖六　鎳氫電池充電電路設計》

結語──您所不知道的USB

對任何標準來說，觀察由規格到真正實現過程的變化，或者是規格中未明白定義部份的實作通常相當有趣，雖然USB無庸置疑地已經是考慮最完整、最可信賴也最有用的標準之一，但是它也不能免除這個困擾，部份可能不太明顯，但會影響電源設計的USB特性為：

1.USB連接埠並不會限制電流

雖然USB規格提供了USB連接埠必須供應多少電流的明確規定，但是對於它可以提供的大小卻有許多可能，雖然最高限制為電流不超過5A，但是聰明的設計者絕對不會採信，在任何情況下，USB連接埠絕對不能夠信賴它會將輸出電流限制在500mA或附近，事實上，由連接埠所提供的輸出電流通常超過數安培，原因是多重連接埠系統，如個人電腦通常在系統中只會對所有連接埠提供一個保護元件，這個保護元件會設定為所有連接埠的功率總合，因此對一個四埠系統來說，在其他連接埠不用的情況下，單一連接埠可能會提供超過2A的電流，更何況某些的個人電腦採用10到20％精確度的晶片式保護方式，有些則可能採用精確度較差的元件，如會自動重置的複晶矽熔線（poly-fuse），甚至會在負載超過100％或更高時才會啟動。

2.USB連接埠很少甚至不會關閉電源

USB規格並沒有提到這些，但是通常我們會認為USB電源可能會因為列舉失敗或者其他軟體或韌體問題而移除電源，但在實際應用上，沒有USB主機端會因為電氣以外的問題而關閉USB電源，但情況總有例外，雖然現在還沒見到實例發生。筆記型電腦與主機板製造商通常不願意負擔錯誤保護的成本，更不要說是智慧型的電源切換，因此不管USB週邊與主機端之間的溝通如何，5V電源還是會永遠存在，所以這就是為什麼我們可以看到市場上已經推出了USB供電的閱讀燈、咖啡保溫器以及其他沒有通訊能力的類似產品，雖然並不見得符合規格，但卻能夠真正運作。

（作者任職於美信Maxim Integrated Products）