一種滿足USB規(guī)范的電源開關(guān)設(shè)計(jì)方案

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開關(guān)電路的整體設(shè)計(jì)思路

圖1為USB電源開關(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，功率管電流沒有過(guò)沖，啟動(dòng)時(shí)間為1.7ms。

3ms后，功率管完全開啟，為負(fù)載提供電源。

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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)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(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(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。