USB端口除了可取代串行（serial）端口和平行（parallel）端口的数据处理能力以外，更可提供电源来驱动外围装置。这种自动供电的能力很特殊，而且是数字信息家电所必备的。所以，如何从USB端口取得稳定的电源是OEM厂商的技术挑战之一。
USB电源规格
表1简列了USB标准所定义的外围装置的电源规格。如表1所示，在最坏的情况下，输出电压5V的USB主机只能提供2.25W的功率。在某些应用中，这样的输出功率是不够的，必须使用一个备用电源，例如：墙上配接器（wall adapter）电源、或离线（offline）的电源供应器。
不过，对其它应用来说，这样的功率是足够的，而且可以使用低成本、线性的稳压器（regulator），产生供电压给外围装置使用。若外围装置非使用USB电源不可时，由于USB输出功率之限制，将使电源供应电路的设计更加复杂，以获得更高的用电效率。因此，必须在系统的成本、效率、尺寸之间做抉择。
USB标准对供电接口，制定了很详细的电流限制（限流）规定。例如：当一个装置连接到通讯端口时，对旁路电容（bypass capacitor）充电的“电流瞬冲”（current surge），可能会对主机的电源电路造成破坏。
USB标准藉由限制初始的“功率瞬冲”，来克服这个问题。这包含两种方法：1.只容许外围装置使用一个小于10μF的旁路电容；2.从总线得到的电荷被限制在50 oC以内。一旦装置连接到USB端口上，USB标准将进一步限制电流量。USB主机首先会将任何外围都视为低功率的装置，其电流被限制在100 mA以内。
之后，外围装置可以透过“列举”（enumeration）程序，要求主机将它当成高功率的装置。一旦完成“列举”，并且获得主机的允许，外围装置的电流限制将可以增加到500 mA。USB标准也包含一个“休眠模式”（suspend mode），它具有远程唤醒（remote wake-up）的功能。在这个模式下，低功率装置的无负载电流（quiescent current）是被限制在500mA以下；高功率装置则是被限制在2.5 mA以下。它通常需要交换（switch）电路，来降低部份外围装置的电源。
USB标准从最初生效到现在已经将近10年了。USB 1.0版本在1995年11月公布。过去，有许多符合USB 1.0标准的产品，其实并没有完全符合上述规定的电流限制。具有过多电流的一个USB产品，连接到PC的USB端口，可能不会造成问题；但若是多个USB产品一起连接到一个USB集线器（hub）上，将会使此集线器因接收过多的电流（overcurrent）而损坏。USB 2.0版本在这方面，就规定的比较严格。
电流突波（inrush）和电源切割（segmentation）
USB产品可以是直接连接到一台主机的外围装置，也可以透过集线器间接地连接到主机上。若是直接连接，上述的电流限制很少会成为问题，除非是使用了一个很大的输入电容来提供电压。若是间接连接（有使用集线器），就必须注意到限流的问题。这是因为无法确知连接到集线器上的外围装置的电气特性。
可以使用离散的电源器件，配合外部的控制电路；或者采用整合了交换功能的控制器，来实现USB集线器的电流限制。在设计高功率的应用产品时，若采用离散的电源器件，通常可以节省成本。不过，整合式的控制器比较适合低功率的应用。因为USB牵涉到低电压和低电流，所以有许多IC厂商正努力地在开发这一块市场。
图1是一个典型的USB电源芯片。它将输出区分成两个（称作电源切割），第一个输出是由一个可调的线性稳压器提供，其输出电压的范围是0.9V~3.3V。可以利用它来驱动集线器内部的控制器和其它电路。第二个输出是一个交换式输出，可以用来驱动连接到集线器的外围装置。
使用整合式的电源芯片可以获得许多优点。例如：外围装置将会比采用离散器件时更加耐用，因为一个温度限制监控器会检查所有的传输器件（pass element），当温度过高时，它会自动将外围装置关闭。此交换器提供两个准位（two-level）的限流功能，以避免在主机总线上发生故障。初始开机时（这个时候很可能会有电流突波发生）的电流限制在100 mA以下，直到输出电压达到输入电压的93%。一旦USB装置被“列举”，电流限制就提升到500 mA，这就是典型的高功率外围装置所需要的。
表2是内部和外部交换方案的比较。在内部交换方案中，传输器件的电阻比较高，芯片面积比较贵；和简单的MOSFET相比，它的结构需要更多的光罩。一般而言，它使用20个以上的光罩层（mask level）；而一颗MOSFET只需要8~10层。一个内部交换方案所使用的面积只有外部交换的60%不到。高度整合可以减少至少两个半导体封装，并提高互连（interconnect）效率。此外，高度整合能够提高可靠度，因为它不需要焊线（bond wire）和焊点接合（solder joint）。内部交换的过热保护更提升了它的可靠度。
外部交换方案没有提供便宜的过热保护功能，以避免MOSFET因短路而过热。虽然，采用电流折返（foldback）和冷开机（power-cycling）技术能避免MOSFET因短路而损坏，但是，它们不支持在过热时自动关机的功能。
内部和外部交换方案的成本是很近似的。一般而言，外部交换方案使用多个半导体封装，内部（整合式）交换只使用一个封装。它们各有各的额外组装和测试成本，因此，它们的整体系统成本是很接近的。
低压数字电路
要从USB取得低电压可以有许多种方法，譬如3.3V。假设用电效率是95%，输出电压3.3V的最大限流将是0.65A，这是受到输入功率2.25W的限制。可以使用线性稳压器、交换式电源供应器，以及电流泵（charge pump）来产生这些低电压。交换式电源供应器可能是同步型的（synchronous）或传统型的。同步型供应器的用电效率比较好，但成本比较高。不过，它可以从USB中得到比较多的功率。
线性稳压器的成本最低，从5V USB总线得到的低电压功率密度最高。若能提供高输入功率，则线性稳压器将是很好的选择。不过，若输入功率很低时，则交换式稳压器的用电效率较佳。
图2是一个便宜的交换式降压稳压器（switch buck regulator）电路。在此电路中，FET（Q1）的交换功能被控制着，以得到平均的降电压，并输出到滤波器上。滤波器可以使交换后的波形平滑。
一个外部的FET可提高设计的弹性，允许我们使用一个内建电阻值较低的器件，这是整合FET的控制器所无法支持的；而且，它有可能得到比较高的用电效率。不过它的缺点是，因为没有控制器来做整合，所以需要一个外部的FET和驱动电路，这使得它的电路尺寸变得很大。
在附图2电路中，大部份的功率损失是被飞轮二极管（freewheeling diode）D1消耗的。在附图3电路中，以N信道FET取代了飞轮二极管，使得这个电路成为同步型的降压转换器（buck converter），并大幅提升了转换器的效率。
这个电路能在大的负载范围内，提升效率。负载不大时，脉冲省略模式（pulse skipping）可以降低闸极驱动损失。当输出电压下降至低于额定电压值的2%时，转换器会侦测出来。此时，转换器会做切换，直到输出电压达到一个上限的临界值（threshold）；之后，将自己置于休眠模式（sleep mode）；同时，负载再度将输出电容放电至较低的临界值。这个电路提供极佳的用电效率，但成本相对比图2的电路高、电路面积却比图2的电路稍微小一点，主要是因为控制器能在最大频率1 MHz工作，因此可以使用较小的电感和I/O电容。
将上面的FET、下面的FET、驱动电路，以及回授（feedback）补偿电路都整合到控制器里面，可得到一个小的、整合的、有效率的转换器。这种设计趋势正在流行，因为它通常是简单的设计，而且所需要的设计时间不长。若拥有设计所需的软件工具，将可协助普通的IC设计师去开发电源供应芯片。TPS5431x和TPS5461x控制器就是属于这一类的整合式芯片，但是它们的价格比较贵，因为它们又添加了一些功能。
“电路面积”通常是一个重要的设计因素。图4是一个“步降（step-down）电流泵”的电路，它具有小的电路面积。它只需要4个陶瓷电容和1个电流泵控制器。控制器使用内部的FET，此FET以不同的串联或并联方式，连接两个“快速电容”（flying capacitor），倾力将它们的电能送给输出端。
输入电压和负载可以自动设定内部FET的组态。当负载电流超过150 mA时，控制器就成为一个“低压差稳压器”（low-dropout regulator；LDO），并停止使用全部的交换电容。最大输出限制电流是0.25A，此电流限制了这个电路只适合于低功率的应用。1~50 mA的小负载用电效率是80~90%，但当负载再增加时，会进入低压差模式中工作，其用电效率会降到大约65%左右。附图4的成本是最少的，这是因为陶瓷电容的成本很低。
表3简列了“低压步降”技术的几种选择方案。它也列出了效率、成本和电路面积。但是，要如何做选择呢？如果不在乎功率损失，首先应该考虑使用线性稳压器。然后，考虑一下电流泵，并根据它的转换比率计算出功率损失。之后，评估一下异步型稳压器。最后，才考虑同步型稳压器。若按照上述的步骤来做选择，将会发现系统的成本和尺寸会跟着增加，不过，这却可以提供更多的功率给负载使用。
设计交换式电源供应电路的第二个取舍难题是：使用内部FET或外部FET哪个比较好？外部FET的设计成本通常比较低；不过，内部FET的设计时间比较短、器件数量比较少，且尺寸较小。
USB电源规格
表1简列了USB标准所定义的外围装置的电源规格。如表1所示，在最坏的情况下，输出电压5V的USB主机只能提供2.25W的功率。在某些应用中，这样的输出功率是不够的，必须使用一个备用电源，例如：墙上配接器（wall adapter）电源、或离线（offline）的电源供应器。
不过，对其它应用来说，这样的功率是足够的，而且可以使用低成本、线性的稳压器（regulator），产生供电压给外围装置使用。若外围装置非使用USB电源不可时，由于USB输出功率之限制，将使电源供应电路的设计更加复杂，以获得更高的用电效率。因此，必须在系统的成本、效率、尺寸之间做抉择。
USB标准对供电接口，制定了很详细的电流限制（限流）规定。例如：当一个装置连接到通讯端口时，对旁路电容（bypass capacitor）充电的“电流瞬冲”（current surge），可能会对主机的电源电路造成破坏。
USB标准藉由限制初始的“功率瞬冲”，来克服这个问题。这包含两种方法：1.只容许外围装置使用一个小于10μF的旁路电容；2.从总线得到的电荷被限制在50 oC以内。一旦装置连接到USB端口上，USB标准将进一步限制电流量。USB主机首先会将任何外围都视为低功率的装置，其电流被限制在100 mA以内。
之后，外围装置可以透过“列举”（enumeration）程序，要求主机将它当成高功率的装置。一旦完成“列举”，并且获得主机的允许，外围装置的电流限制将可以增加到500 mA。USB标准也包含一个“休眠模式”（suspend mode），它具有远程唤醒（remote wake-up）的功能。在这个模式下，低功率装置的无负载电流（quiescent current）是被限制在500mA以下；高功率装置则是被限制在2.5 mA以下。它通常需要交换（switch）电路，来降低部份外围装置的电源。
USB标准从最初生效到现在已经将近10年了。USB 1.0版本在1995年11月公布。过去，有许多符合USB 1.0标准的产品，其实并没有完全符合上述规定的电流限制。具有过多电流的一个USB产品，连接到PC的USB端口，可能不会造成问题；但若是多个USB产品一起连接到一个USB集线器（hub）上，将会使此集线器因接收过多的电流（overcurrent）而损坏。USB 2.0版本在这方面，就规定的比较严格。
电流突波（inrush）和电源切割（segmentation）
USB产品可以是直接连接到一台主机的外围装置，也可以透过集线器间接地连接到主机上。若是直接连接，上述的电流限制很少会成为问题，除非是使用了一个很大的输入电容来提供电压。若是间接连接（有使用集线器），就必须注意到限流的问题。这是因为无法确知连接到集线器上的外围装置的电气特性。
可以使用离散的电源器件，配合外部的控制电路；或者采用整合了交换功能的控制器，来实现USB集线器的电流限制。在设计高功率的应用产品时，若采用离散的电源器件，通常可以节省成本。不过，整合式的控制器比较适合低功率的应用。因为USB牵涉到低电压和低电流，所以有许多IC厂商正努力地在开发这一块市场。
图1是一个典型的USB电源芯片。它将输出区分成两个（称作电源切割），第一个输出是由一个可调的线性稳压器提供，其输出电压的范围是0.9V~3.3V。可以利用它来驱动集线器内部的控制器和其它电路。第二个输出是一个交换式输出，可以用来驱动连接到集线器的外围装置。
使用整合式的电源芯片可以获得许多优点。例如：外围装置将会比采用离散器件时更加耐用，因为一个温度限制监控器会检查所有的传输器件（pass element），当温度过高时，它会自动将外围装置关闭。此交换器提供两个准位（two-level）的限流功能，以避免在主机总线上发生故障。初始开机时（这个时候很可能会有电流突波发生）的电流限制在100 mA以下，直到输出电压达到输入电压的93%。一旦USB装置被“列举”，电流限制就提升到500 mA，这就是典型的高功率外围装置所需要的。
表2是内部和外部交换方案的比较。在内部交换方案中，传输器件的电阻比较高，芯片面积比较贵；和简单的MOSFET相比，它的结构需要更多的光罩。一般而言，它使用20个以上的光罩层（mask level）；而一颗MOSFET只需要8~10层。一个内部交换方案所使用的面积只有外部交换的60%不到。高度整合可以减少至少两个半导体封装，并提高互连（interconnect）效率。此外，高度整合能够提高可靠度，因为它不需要焊线（bond wire）和焊点接合（solder joint）。内部交换的过热保护更提升了它的可靠度。
外部交换方案没有提供便宜的过热保护功能，以避免MOSFET因短路而过热。虽然，采用电流折返（foldback）和冷开机（power-cycling）技术能避免MOSFET因短路而损坏，但是，它们不支持在过热时自动关机的功能。
内部和外部交换方案的成本是很近似的。一般而言，外部交换方案使用多个半导体封装，内部（整合式）交换只使用一个封装。它们各有各的额外组装和测试成本，因此，它们的整体系统成本是很接近的。
低压数字电路
要从USB取得低电压可以有许多种方法，譬如3.3V。假设用电效率是95%，输出电压3.3V的最大限流将是0.65A，这是受到输入功率2.25W的限制。可以使用线性稳压器、交换式电源供应器，以及电流泵（charge pump）来产生这些低电压。交换式电源供应器可能是同步型的（synchronous）或传统型的。同步型供应器的用电效率比较好，但成本比较高。不过，它可以从USB中得到比较多的功率。
线性稳压器的成本最低，从5V USB总线得到的低电压功率密度最高。若能提供高输入功率，则线性稳压器将是很好的选择。不过，若输入功率很低时，则交换式稳压器的用电效率较佳。
图2是一个便宜的交换式降压稳压器（switch buck regulator）电路。在此电路中，FET（Q1）的交换功能被控制着，以得到平均的降电压，并输出到滤波器上。滤波器可以使交换后的波形平滑。
一个外部的FET可提高设计的弹性，允许我们使用一个内建电阻值较低的器件，这是整合FET的控制器所无法支持的；而且，它有可能得到比较高的用电效率。不过它的缺点是，因为没有控制器来做整合，所以需要一个外部的FET和驱动电路，这使得它的电路尺寸变得很大。
在附图2电路中，大部份的功率损失是被飞轮二极管（freewheeling diode）D1消耗的。在附图3电路中，以N信道FET取代了飞轮二极管，使得这个电路成为同步型的降压转换器（buck converter），并大幅提升了转换器的效率。
这个电路能在大的负载范围内，提升效率。负载不大时，脉冲省略模式（pulse skipping）可以降低闸极驱动损失。当输出电压下降至低于额定电压值的2%时，转换器会侦测出来。此时，转换器会做切换，直到输出电压达到一个上限的临界值（threshold）；之后，将自己置于休眠模式（sleep mode）；同时，负载再度将输出电容放电至较低的临界值。这个电路提供极佳的用电效率，但成本相对比图2的电路高、电路面积却比图2的电路稍微小一点，主要是因为控制器能在最大频率1 MHz工作，因此可以使用较小的电感和I/O电容。
将上面的FET、下面的FET、驱动电路，以及回授（feedback）补偿电路都整合到控制器里面，可得到一个小的、整合的、有效率的转换器。这种设计趋势正在流行，因为它通常是简单的设计，而且所需要的设计时间不长。若拥有设计所需的软件工具，将可协助普通的IC设计师去开发电源供应芯片。TPS5431x和TPS5461x控制器就是属于这一类的整合式芯片，但是它们的价格比较贵，因为它们又添加了一些功能。
“电路面积”通常是一个重要的设计因素。图4是一个“步降（step-down）电流泵”的电路，它具有小的电路面积。它只需要4个陶瓷电容和1个电流泵控制器。控制器使用内部的FET，此FET以不同的串联或并联方式，连接两个“快速电容”（flying capacitor），倾力将它们的电能送给输出端。
输入电压和负载可以自动设定内部FET的组态。当负载电流超过150 mA时，控制器就成为一个“低压差稳压器”（low-dropout regulator；LDO），并停止使用全部的交换电容。最大输出限制电流是0.25A，此电流限制了这个电路只适合于低功率的应用。1~50 mA的小负载用电效率是80~90%，但当负载再增加时，会进入低压差模式中工作，其用电效率会降到大约65%左右。附图4的成本是最少的，这是因为陶瓷电容的成本很低。
表3简列了“低压步降”技术的几种选择方案。它也列出了效率、成本和电路面积。但是，要如何做选择呢？如果不在乎功率损失，首先应该考虑使用线性稳压器。然后，考虑一下电流泵，并根据它的转换比率计算出功率损失。之后，评估一下异步型稳压器。最后，才考虑同步型稳压器。若按照上述的步骤来做选择，将会发现系统的成本和尺寸会跟着增加，不过，这却可以提供更多的功率给负载使用。
设计交换式电源供应电路的第二个取舍难题是：使用内部FET或外部FET哪个比较好？外部FET的设计成本通常比较低；不过，内部FET的设计时间比较短、器件数量比较少，且尺寸较小。
