本文設(shè)計(jì)了一種低導(dǎo)通損耗的USB 電源開(kāi)關(guān)電路。該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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗,。在過(guò)載情況下， 過(guò)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)會(huì)流過(guò)數(shù)安培的電流,， 從而對(duì)電路造成損壞,。
本文設(shè)計(jì)的USB電源開(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)電路的整體設(shè)計(jì)思路
圖1 為USB 電源開(kāi)關(guān)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(guò)流保護(hù)電路( Currentlimit ) ; 過(guò)流保護(hù)電路通過(guò)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(kāi)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(jiǎn)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(wú)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(kāi)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(guò)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(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
當(dāng)出現(xiàn)過(guò)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(guò)反饋負(fù)載電壓， 調(diào)節(jié)電荷泵輸出電壓來(lái)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(guò)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：
得功率管和限流管的電流關(guān)系：
通過(guò)設(shè)置NHV 和MP6 寬長(zhǎng)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(guò)流保護(hù)電路通過(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(méi)有過(guò)沖,， 啟動(dòng)時(shí)間為1. 7 ms,。3 ms 后， 功率管完全開(kāi)啟,， 為負(fù)載提供電源,。
圖5 ：?jiǎn)?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(kāi)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(kāi)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(guò)沖到3. 1A,。當(dāng)過(guò)流保護(hù)電路工作后,， 過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)在啟動(dòng)、限流和恢復(fù)正常過(guò)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(jì)了一種滿足USB 規(guī)范的電源開(kāi)關(guān),。一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗,。精確的限流電路針對(duì)過(guò)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(guò)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,。