一種低導(dǎo)通損耗的USB 電源開關(guān)的設(shè)計(jì)方案

摘 要：本文提出了一種低導(dǎo)通損耗的USB 電源開關(guān)的設(shè)計(jì)方案。該方案中的電路采用自舉電荷泵為N 型功率管提供足夠高的柵壓， 以降低USB 開關(guān)的導(dǎo)通損耗。在過載情況下， 過流保護(hù)電路能將輸出電流限制在0. 3 A.

1 引言

通用串行總線（ Universal Serial Bus） 使PC 機(jī)與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速， 隨著計(jì)算機(jī)以及與USB 相關(guān)便攜式設(shè)備的發(fā)展， USB 必將獲得更廣泛的應(yīng)用。由于USB 具有即插即用的特點(diǎn)， 在負(fù)載出現(xiàn)異常的瞬間， 電源開關(guān)會(huì)流過數(shù)安培的電流， 從而對(duì)電路造成損壞。

本文方案中所設(shè)計(jì)的USB電源開關(guān)采用自舉電荷泵， 為N 型功率管提供2 倍于電源的柵驅(qū)動(dòng)電壓。在負(fù)載出現(xiàn)異常時(shí)， 過流保護(hù)電路能迅速限制功率管電流，以避免熱插拔對(duì)電路造成損壞。

2 USB 開關(guān)電路方案設(shè)計(jì)的整體思路

圖1 為USB 電源開關(guān)方案的整體設(shè)計(jì)。其中， V IN為電源輸入， VOUT 為USB 的輸出。在負(fù)載正常的情況下， 由電荷泵產(chǎn)生足夠高的柵驅(qū)動(dòng)電壓， 使NHV1 工作在深線性區(qū)， 以降低從輸入電源（ VIN ）到負(fù)載電壓（ VOUT ） 的導(dǎo)通損耗。當(dāng)功率管電流高于1 A 時(shí)， Currentsense 輸出高電平給過流保護(hù)電路（ Currentlimit ） ; 過流保護(hù)電路通過反饋負(fù)載電壓給電荷泵， 調(diào)節(jié)電荷泵輸出（ VPUMP ） , 從而使功率管的工作狀態(tài)由線性區(qū)變?yōu)轱柡蛥^(qū)， 限制功率管電流，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常后， Currentsense 輸出低電平， 電荷泵正常工作。

圖1 USB 電源開關(guān)原理圖

3 電荷泵設(shè)計(jì)

圖2 為一種自舉型（ Self-BooST ） 電荷泵的電路原理圖。圖中，Φ為時(shí)鐘信號(hào)， 控制電荷泵工作。初始階段電容， C1 和功率管柵電容CGAte 上的電荷均為零。當(dāng)Φ為低電平時(shí)， MP1 導(dǎo)通， 為C1 充電， V1電位升至電源電位， V 2 電位增加， MP2 管導(dǎo)通。假設(shè)柵電容遠(yuǎn)大于電容C1 , V 2 上的電荷全部轉(zhuǎn)移到柵電容C GATE 上。當(dāng)Φ為高電平時(shí)， MN1 導(dǎo)通， 為C1 左極板放電， V1 電位下降至地電位， V2 電位下降， MP2 管截止， MN2 管導(dǎo)通， 給電容C1 右極板充電至V IN .在Φ的下個(gè)低電平時(shí)， V1 電位升至電源電位， V2 電位增加至2 VIN , MP2 管導(dǎo)通， VPUMP 電位升至2 V IN - VT .

圖2 自舉電荷泵原理圖

自舉電荷泵不需要為MN2 和MP2 提供柵驅(qū)動(dòng)電壓， 控制簡單， 但輸出電壓會(huì)有一個(gè)閾值損失。圖3 是改進(jìn)后的電荷泵電路圖， Φ1 和Φ2 為互補(bǔ)無交疊時(shí)鐘。由MN2、MN5、MP3、MP2 和電容C2 組成的次電荷泵為MN4、MP4 提供柵壓， 以保證其完全關(guān)斷和開啟。當(dāng)Φ1 為低電平時(shí)， MP1 導(dǎo)通，電位增加， 此時(shí)， V3 電位為零， MP4 導(dǎo)通， V 2 上的電荷轉(zhuǎn)移到柵電容C GAT E 上， VPUMP 電位升高。當(dāng)Φ1 為高電平時(shí)， MP2 導(dǎo)通， 為C2 充電， V4 電位上升至電源電位， V 3 電位隨之上升， MP3 導(dǎo)通， V PUMP 電位繼續(xù)升高。MN3 相當(dāng)于二極管， 起單向?qū)щ姷淖饔谩?/P>

在VPUMP 電壓升高到VIN + VT 以后， MN3 隔離V3到電源的通路， 保證V3 的電荷由MP3 全部充入柵電容。這樣， C1 和C2 相互給柵電容充電， 若干個(gè)時(shí)鐘周期后， 電荷泵輸出電壓接近兩倍電源電壓。

在電荷泵輸出電壓升高的過程中， 功率管提供的負(fù)載電流逐漸上升， 避免在容性負(fù)載上引起浪涌電流（ inrush current ） .

圖3 改進(jìn)后的電荷泵

4 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

當(dāng)出現(xiàn)過載和短路故障時(shí)， 負(fù)載電流達(dá)到數(shù)安培， 需要精確的限流電路為功率管和輸入電源提供保護(hù)。對(duì)于MOS 器件， 只有工作在飽和區(qū)時(shí)的電流容易控制。限流就是通過反饋負(fù)載電壓， 調(diào)節(jié)電荷泵輸出電壓來實(shí)現(xiàn)的。圖4 是限流電路的原理圖。

圖4 限流電路原理圖

N 型功率管NHV 的源與P 型限流管MP6 的柵相接， N 型功率管NHV 的柵與P 型限流管MP6的源相接。從而達(dá)到控制功率管柵源壓降的目的。

當(dāng)負(fù)載電流超過1A 時(shí)， 電流限信號(hào)（ VLIMIT ） 為高電平， MN7 導(dǎo)通， 柵電荷經(jīng)MP6 流向地， 柵電壓減小， 功率管工作在飽和區(qū)。C1、C2 為電荷泵電容值，在一個(gè)時(shí)鐘周期T 內(nèi)， 由電荷泵充入的柵電荷為：

當(dāng)功率管柵壓穩(wěn)定時(shí)， 電荷泵充入的柵電荷等于限流管放掉的柵電荷。限流管泄放電流為：

由

得功率管和限流管的電流關(guān)系：

式中， VTP 和VTN 分別是P 型管和N 型管閾值電壓， M 為N 型功率管的并聯(lián)數(shù)。

通過設(shè)置NHV 和MP6 寬長比、功率管的并聯(lián)個(gè)數(shù)、電荷泵的時(shí)鐘周期以及電荷泵的電容值， 就可以確定功率管的電流。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常后， 電流限信號(hào)（ V LIMIT ） 為低電平， MN7 截止， 電荷泵正常工作， 為功率管提供2 倍于電源的柵驅(qū)動(dòng)電壓。這種過流保護(hù)電路通過MP6 泄放功率管的柵電荷， 易實(shí)現(xiàn)限流功能， 適用于N 型功率管的電源開關(guān)。

5 仿真結(jié)果與討論

圖5 為負(fù)載正常情況下負(fù)載輸出電壓和功率管電流的仿真波形。電源電壓為5 V, C1、C2 電容值為1 pF, 時(shí)鐘周期為40 s, NHV 和MP6 寬長比的比值為300, 功率管的并聯(lián)個(gè)數(shù)為1 103.采用0. 6 m30 V BCD 工藝， 在典型條件下， 用HSPICE 對(duì)整體電路仿真。由波形可以看出， 在1 ms 內(nèi)， 負(fù)載輸出電壓逐漸上升， 功率管電流沒有過沖， 啟動(dòng)時(shí)間為1. 7 ms.3 ms 后， 功率管完全開啟， 為負(fù)載提供電源。

圖5 啟動(dòng)時(shí)功率管電流和負(fù)載輸出電壓

表1 為限流電路工作時(shí)功率管的平均柵電壓和平均電流。圖6 為USB 開關(guān)啟動(dòng)8 ms 后負(fù)載短路到恢復(fù)正常的仿真結(jié)果。U SB 開關(guān)在負(fù)載正常情況下啟動(dòng)， 8 ms 后負(fù)載短路， 負(fù)載電流過沖到3. 1A.當(dāng)過流保護(hù)電路工作后， 過流保護(hù)電路將電流限制在0. 3 A, 保護(hù)了U SB 端口。16 ms 后， 負(fù)載恢復(fù)正常， 電源開關(guān)重新啟動(dòng)。

表1 限流時(shí)功率管平均柵電壓和平均電流

圖6 USB 開關(guān)在啟動(dòng)、限流和恢復(fù)正常過程中， 電荷泵輸出電壓、負(fù)載輸出電壓和功率管電流的仿真波形

6 結(jié)論

本文提出了一種滿足USB 規(guī)范的電源開關(guān)設(shè)計(jì)方案。一種結(jié)構(gòu)簡單的自舉電荷泵為N 型功率管提供柵驅(qū)動(dòng)電壓， 以降低開關(guān)的導(dǎo)通損耗。精確的限流電路針對(duì)過載和短路故障， 對(duì)輸入電源提供保護(hù)。仿真結(jié)果表明， 在負(fù)載短路瞬間， 限流電路能夠有效地減小過沖電流， 并能把電流限制在0. 3 A, 達(dá)到保護(hù)USB 端口的目的，進(jìn)而證實(shí)了該方案的實(shí)用性。