中心議題：
- USB開關(guān)電路的整體設(shè)計思路
- 保護(hù)USB的電源開關(guān)設(shè)計方案
解決方案：
- 電荷泵設(shè)計
- 過流保護(hù)電路設(shè)計
1 引言
通用串行總線（UniversalSerialBus）使PC機與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速，隨著計算機以及與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，在負(fù)載出現(xiàn)異常的瞬間,，電源開關(guān)會流過數(shù)安培的電流,，從而對電路造成損壞。
本文設(shè)計的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)動電壓,。在負(fù)載出現(xiàn)異常時，過流保護(hù)電路能迅速限制功率管電流,，以避免熱插拔對電路造成損壞,。
2 USB開關(guān)電路的整體設(shè)計思路
圖1為USB電源開關(guān)的整體設(shè)計。其中,，VIN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1A時,，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
圖2為一種自舉型（SelfBoost）電荷泵的電路原理圖,。圖中，為時鐘信號,，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)為低電平時,，MP1導(dǎo)通，為C1充電,，V1電位升至電源電位,，V2電位增加，MP2管導(dǎo)通,。假設(shè)柵電容遠(yuǎn)大于電容C1,V2上的電荷全部轉(zhuǎn)移到柵電容CGATE上,。當(dāng)為高電平時，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VIN,。在的下個低電平時,，V1電位升至電源電位，V2電位增加至2VIN,MP2管導(dǎo)通,，VPUMP電位升至2VIN-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)動電壓，控制簡單,，但輸出電壓會有一個閾值損失,。圖3是改進(jìn)后的電荷泵電路圖，1和2為互補無交疊時鐘,。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)1為低電平時,，MP1導(dǎo)通,，電位增加，此時,，V3電位為零,，MP4導(dǎo)通，V2上的電荷轉(zhuǎn)移到柵電容CGATE上,，VPUMP電位升高,。當(dāng)1為高電平時，MP2導(dǎo)通,，為C2充電，V4電位上升至電源電位,，V3電位隨之上升,，MP3導(dǎo)通，VPUMP電位繼續(xù)升高,。MN3相當(dāng)于二極管,，起單向?qū)щ姷淖饔谩?br />
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,，若干個時鐘周期后,，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。
圖3 改進(jìn)后的電荷泵
4 過流保護(hù)電路設(shè)計
當(dāng)出現(xiàn)過載和短路故障時,，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)。對于MOS器件,，只有工作在飽和區(qū)時的電流容易控制,。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，電流限信號（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，在一個時鐘周期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,，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：
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)個數(shù),、電荷泵的時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（VLIMIT）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5V,C1,、C2電容值為1pF,時鐘周期為40s,NHV和MP6寬長比的比值為300,功率管的并聯(lián)個數(shù)為1103。采用0.6m30VBCD工藝,，在典型條件下,，用HSPICE對整體電路仿真。由波形可以看出,，在1ms內(nèi),，負(fù)載輸出電壓逐漸上升，功率管電流沒有過沖,，啟動時間為1.7ms,。3ms后，功率管完全開啟,，為負(fù)載提供電源,。
圖5 啟動時功率管電流和負(fù)載輸出電壓
表1為限流電路工作時功率管的平均柵電壓和平均電流,。圖6為USB開關(guān)啟動8ms后負(fù)載短路到恢復(fù)正常的仿真結(jié)果。USB開關(guān)在負(fù)載正常情況下啟動,，8ms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0.3A,保護(hù)了USB端口,。16ms后，負(fù)載恢復(fù)正常,，電源開關(guān)重新啟動,。
表1 限流時功率管平均柵電壓和平均電流
圖6 USB開關(guān)在啟動、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
本文設(shè)計了一種滿足USB規(guī)范的電源開關(guān)。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)動電壓,，以降低開關(guān)的導(dǎo)通損耗,。精確的限流電路針對過載和短路故障，對輸入電源提供保護(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0.3A,達(dá)到保護(hù)USB端口的目的。