1 引言

通用串行總線(UniversalSerialBus)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，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(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1A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(SelfBooST)電荷泵的電路原理圖,。圖中，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)為低電平時(shí),，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(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VIN,。在的下個(gè)低電平時(shí)，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(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,，1和2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)1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,，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(shí),，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?/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,。

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：

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(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)(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(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5V,，C1,、C2電容值為1pF，時(shí)鐘周期為40s,，NHV和MP6寬長(zhǎng)比的比值為300,，功率管的并聯(lián)個(gè)數(shù)為1103。采用0.6m30VBCD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1ms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1.7ms,。3ms后，功率管完全開(kāi)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(kāi)關(guān)啟動(dòng)8ms后負(fù)載短路到恢復(fù)正常的仿真結(jié)果。USB開(kāi)關(guān)在負(fù)載正常情況下啟動(dòng),，8ms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0.3A,，保護(hù)了USB端口。16ms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0.3A，達(dá)到保護(hù)USB端口的目的,。