1 引言

　　通用串行總線（ Universal Serial Bus） 使PC 機與外部設備的連接變得簡單而迅速， 隨著計算機以及與USB 相關便攜式設備的發(fā)展,， USB 必將獲得更廣泛的應用,。由于USB 具有即插即用的特點， 在負載出現(xiàn)異常的瞬間,， 電源開關會流過數(shù)安培的電流,， 從而對電路造成損壞,。

　　本文設計的USB電源開關采用自舉電荷泵， 為N 型功率管提供2 倍于電源的柵驅動電壓,。在負載出現(xiàn)異常時,， 過流保護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 開關電路的整體設計思路

　　圖1 為USB 電源開關的整體設計,。其中， V IN為電源輸入,， VOUT 為USB 的輸出,。在負載正常的情況下， 由電荷泵產生足夠高的柵驅動電壓,， 使NHV1 工作在深線性區(qū),， 以降低從輸入電源（ VIN ）到負載電壓（ VOUT ） 的導通損耗。當功率管電流高于1 A 時,， Currentsense 輸出高電平給過流保護電路（ Currentlimit ） ; 過流保護電路通過反饋負載電壓給電荷泵,， 調節(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,，達到保護功率管的目的。當負載恢復正常后,， Currentsense 輸出低電平,， 電荷泵正常工作。

　　圖1 USB 電源開關原理圖

　　3 電荷泵設計

　　圖2 為一種自舉型（ Self-BooST ） 電荷泵的電路原理圖,。圖中,，Φ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Φ為低電平時,， MP1 導通,， 為C1 充電， V1電位升至電源電位,， V 2 電位增加,， MP2 管導通。假設柵電容遠大于電容C1 ,， V 2 上的電荷全部轉移到柵電容C GATE 上,。當Φ為高電平時， MN1 導通,， 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 管導通,， 給電容C1 右極板充電至V IN 。在Φ的下個低電平時,， V1 電位升至電源電位,， V2 電位增加至2 VIN ， MP2 管導通,， 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 是改進后的電荷泵電路圖， Φ1 和Φ2 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,， 以保證其完全關斷和開啟,。當Φ1 為低電平時， MP1 導通,，電位增加,， 此時， V3 電位為零,， MP4 導通,， V 2 上的電荷轉移到柵電容C GAT E 上， VPUMP 電位升高,。當Φ1 為高電平時,， MP2 導通， 為C2 充電,， V4 電位上升至電源電位,， V 3 電位隨之上升， MP3 導通,， V PUMP電位繼續(xù)升高,。MN3 相當于二極管， 起單向導電的作用,。

　　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,， 功率管提供的負載電流逐漸上升， 避免在容性負載上引起浪涌電流（ inrush current ） ,。

　　圖3 改進后的電荷泵

　　4 過流保護電路設計

　　當出現(xiàn)過載和短路故障時,， 負載電流達到數(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,。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載電壓,， 調節(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,。從而達到控制功率管柵源壓降的目的。

　　當負載電流超過1A 時,， 電流限信號（ VLIMIT ） 為高電平,， MN7 導通， 柵電荷經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， 由電荷泵充入的柵電荷為：

　　當功率管柵壓穩(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：

　　由

　　得功率管和限流管的電流關系：

　　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。當負載恢復正常后， 電流限信號（ V LIMIT ） 為低電平,， MN7 截止,， 電荷泵正常工作， 為功率管提供2 倍于電源的柵驅動電壓,。這種過流保護電路通過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,。

　　5 仿真結果與討論

　　圖5 為負載正常情況下負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)個數(shù)為1 103,。采用0. 6 m30 V BCD 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1 ms 內,， 負載輸出電壓逐漸上升,， 功率管電流沒有過沖， 啟動時間為1. 7 ms,。3 ms 后,， 功率管完全開啟， 為負載提供電源,。

　　圖5 啟動時功率管電流和負載輸出電壓

　　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 開關啟動8 ms 后負載短路到恢復正常的仿真結果,。U SB 開關在負載正常情況下啟動,， 8 ms 后負載短路， 負載電流過沖到3. 1A,。當過流保護電路工作后,， 過流保護電路將電流限制在0. 3 A， 保護了U SB 端口,。16 ms 后,， 負載恢復正常， 電源開關重新啟動,。

　　表1 限流時功率管平均柵電壓和平均電流

　　圖6 USB 開關在啟動,、限流和恢復正常過程中,， 電荷泵輸出電壓、負載輸出電壓和功率管電流的仿真波形

　　6 結論

　　本文設計了一種滿足USB 規(guī)范的電源開關,。一種結構簡單的自舉電荷泵為N 型功率管提供柵驅動電壓,， 以降低開關的導通損耗。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,。仿真結果表明， 在負載短路瞬間,， 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， 達到保護USB 端口的目的,。