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(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電路(Currentlimit),；過流保護電路通過反饋負載電壓給電荷泵，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，達到保護功率管的目的,。當(dāng)負載恢復(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
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?/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,。
圖3 改進后的電荷泵
4 過流保護電路設(shè)計
當(dāng)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(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,。從而達到控制功率管柵源壓降的目的。
當(dāng)負載電流超過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(guān)啟動8ms后負載短路到恢復(fù)正常的仿真結(jié)果,。USB開關(guān)在負載正常情況下啟動,，8ms后負載短路,，負載電流過沖到3.1A。當(dāng)過流保護電路工作后,，過流保護電路將電流限制在0.3A,，保護了USB端口。16ms后,，負載恢復(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,。仿真結(jié)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0.3A，達到保護USB端口的目的,。