【电脑usb输出电流和电压】原理大众化文章：介绍USB充电电路图和原理。

介绍了USB充电原理图和原理。

除了直接供电的USB设备外，USB更有用的功能之一是用USB电源给电池充电。许多手持设备(如MP3播放器和PDA)与PC交换信息，因此，同时用单根电缆进行电池充电和数据交换，可以显着提高设备的便利性。USB与电池供电功能相结合，可扩大“非限制”设备(如移动网络摄像头连接到PC或不连接到PC)的工作范围。大多数情况下，您不需要携带不方便的交流适配器。

从USB给电池充电可能很复杂，也可能很简单，具体取决于USB设备的要求。影响设计的因素通常是“成本”、“大小”和“重量”。其他重要注意事项包括：1)设备连接到USB端口时，带有放电电池的设备能够以完全工作的速度进入的速度。2)允许的电池充电时间；3) USB有限电力预算；4)包括交流适配器充电的必要性。本文从电源的角度详细介绍了USB，然后提供了解决这些问题的方法。

图1 USB电压降(在通用串行总线规定Rev2.0中提供)

图1 USB电压降(在通用串行总线规定Rev2.0中提供)

图2 USB设备插孔

图2 USB设备插孔

图3

图3从USB简单充电100mA和交流适配器充电350mA不需要列出。因为USB充电电流不超过“一单位负荷”(100毫安)。3.3V系统负载总是从电池中吸收电流。

USB电源

任何主机USB设备(例如PC和笔记本电脑)都可以提供至少500毫安的电流，或者每个USB插槽提供5个“单位负载”。在USB谓词中，“1单位负载”为100毫安。自己供电的USB插孔也可以提供5个单元负载。总线供电USB插孔可确保1个单位负载(100毫安)。根据USB规格和图1，对于电缆外围设备，USB主机或电源插座的最低有效电压为4.5V，USB总线电源插座的最低电压为4.35V。这种电压在给锂离子电池充电时(一般需要4.2V)，其余的都很小。

连接到USB端口的所有设备不能有超过100毫安的电流。与主机通信后，设备将决定是否能占用全部500毫安。

USB外设包括两个插孔中的一个。两个插座都比PC和其他USB主机上的插座小。图2中显示了“SeriesB”和更小的“Series Mini-B”插孔。从SeriesB针脚1( 5V)和4(接地)以及Series Mini-B的针脚1( 5V)和5(接地)获得电源。

连接后，主机必须识别所有USB设备。这被称为“枚举”。在识别过程中，主机可以确定USB设备的电源和电源，并将批准设备的负载电流从100mA增加到500mA。

简单的USB/AC适配器充电电路

一些非常基本的设备不希望分类和最佳使用有效USB电源所需的额外软件开销。如果设备负载电流限制为100毫安(在USB上称为“1个单位负载”)，则所有USB主机、自己的电源插孔都可以为设备供电。对于这些设计，非常基本的充电器和电压调节器电路如图3所示。

每当设备连接USB或插入交流适配器时，此电路都会给电池充电。同时，系统负载总是连接到电池上，在这种情况下，通过简单的线性稳压器(U2)可以提供高达200毫安的电流。如果系统持续吸收这些电流，并且电池在USB上以100毫安电流充电，则电池将放电，因为负载电流超过了充电电流。在大多数小型系统中，最大负载只发生在总工作时间的一小部分，因此，如果平均负载电流小于充电电流，电池就会充电。连接交流适配器后，充电器(U1)最大电流增加到350毫安。同时连接USB和交流适配器时，交流适配器会自动优先通电。

U1的特点之一是USB规范需要的功能(一般充电器的法则)。也就是说，不允许电流从电池或其他电源输入反馈到电源输入。在普通充电器中，可以用输入二次管来保证，但最小的USB电压)和所需的锂离子电池电压)差别很小，也不适合作为肖特基二极管。因此，从U1 IC断开所有反向电流路径。

图3中的电路有一些限制，不适用于某些可充电的USB设备。最明显的限制是，以相当低的充电电流，给几百毫安一个小时以上的锂离子电池充电需要很长时间。第二个极限是负的

负载切换和增强型电路

在更先进的系统中，充电器或围绕充电器需要一些增强性能。这包括可选择的充电电流以适应不同电源或电池的供电能力，插入电源时的负载切换以及过压保护。图4所示电路增加了这些功能，它是借助于充电器IC电压检测器驱动的外部MOSFET实现的。

MOSFET Q1和Q2以及二极管D1和D2旁路电池，直接连接有效(USB或AC适配器)电源输入与负载。当电源输入有效时，DC输入具有优先地位；U1防止在同一时间两个输入都有效。二极管D1和D2防止通过"系统负载"电源通路产生的输入之间的反向电流，而充电器具有内置电路排除通过充电通路(在BATT)的反向电流。

MOSFET也提供AC适配器过压保护(高达18V)。欠/过压监控器使AC适配器电压只在4V和6.25V之间。

MOSEFT Q3在不存在有效外部电源时导通，使电池连接到负载。当USB或DC电源连接时，PON(电源开关)输出立即断开Q3，使电池与负载断开。系统在加外部电源时能立即工作，既使电池深度放电或损坏也能立即工作。

当连接USB时，USB器件与主机通信决定负载电流是否可以增加。若主机允许，负载开始在一个单元负载并增加到5个单元负载。５到1个单元负载的电流范围对于一般充电器(不是设计用于USB)来说存在一个问题。一般充电器的精度，尽管可满足高电流要求，但通常在低电流设置方面不能满足要求，这是由于电流检测电路的偏差造成的。其结果是小范围充电电流(1个单元负载)必须设置得足够低，以保证不会超过100mA限制。例如，对于500mA的10%精度而言，输出必须设置为450mA，以保证它不会超过500mA。这仅仅是可接受的；然而，为了保证低充电电流不超过100mA ,其额定电流必须设置为50mA，而最小值可能是0mA,这显然是不可接受的。若USB充电在两个范围都有效，则需要有足够的精度，使得最大可能的充电电流不超过USB限值。

在某些设计中，系统电源要求用小于500mA USB预算分别供电负载和充电电池是做不到的，但用AC适配器就不成问题。图5所示电路(图4的简化子系统)是一个经济的连接方法。USB电源不直接接到负载。充电和系统工作仍然发生在USB电源，但系统保持与电池的连接，其限制和图3一样：在连接USB时，若电池深度放电，则系统可以在工作前有一段延迟。若连接DC电源，则图5工作状态与图4相同，无等待时间，与电池状态无关，这是因为Q2截止，通过D1系统负载从电池转到DC输入。

镍氢电池充电电路

尽管锂离子电池能为大多数便携装置提供最好的性能，但NiMH(镍氢)电池仍然是低成本设计的可行选择。在负载要求不是太严格时，保持低成本的一个好方法是用NiMH电池。这需要一个DC-DC变换器升压，一般从1.3V电池电压提升到器件可用的电压(一般为3.3V)。由于任何电池供电器件需要稳压器，所以，DC-DC变换器仅仅是一个不同的稳压器。

图6所示电路，用独特的方法为NiMH电池充电，并且不用外部FET在USB输入和电池之间切换系统负载。"充电器"实际上是一个工作在电流限制下的DC-DC升压变换器(U1)。以300和400 mA之间的电流为电池充电。尽管没有精密的电流源，但它具有适当的电流控制，甚至在电池短路时也能够保持电流控制。DC-DC充电拓扑相对于一般线性方案的最大优势是能有效地利用有限的USB电源资源。在以400mA电流NiMH电池充电时，电路从USB输入仅汲取150mA。而充电时剩余350mA用于系统。

二极管D1实现从电池到USB的负载拉出。不连接USB时，升压变换器产生3.3V输出。连接USB时，D1上拉DC-DC升压变换器(U2)输出到4.7V左右。当U2输出上拉时，它自动关闭而从电池汲取的电流小于1mA。在USB连接时，若对于输出从3.3V变换到4.7V不能接受,则可以加入一个与D1串联的线性稳压器。

此电路的限制是依靠系统来控制充电结束。U1仅仅做为一个电流源，若长期不管它，它将会过充电电池。R1和R2置U1的最大输出电压为2V，做为安全限值。"Charge Enable"("充电使能")输入起到系统结束充电作用以及枚举前降低USB负载电流的作用，这是由于充电器的150mA输入电流大于一个负载。■

图4

图4 SOT-23功率MOSFET可增加有用的性能(如过压保护和加外电源时断开电池)。当电池充电无负载时，有效电源直接驱动系统。

图5

图5 简单的设计使USB电源不直接接到负载，而是由DC输入到负载。当USB连接时，系统仍然由电池供电，而电池也正在充电。

图6

图6 简单的NiMH充电/电源配置自动传送电源到USB，而设有复杂的MOSFET开关阵列。