一种低导通损耗的USB电源开关的设计

中心议题：
    *  USB 开关电路的整体设计思路
    *  电荷泵设计
    *  过流保护电路设计
    *  仿真结果与讨论
解决方案：
    *  精确的限流电路

摘 要：本文设计了一种低导通损耗的USB 电源开关电路。该电路采用自举电荷泵为N 型功率管提供足够高的栅压， 以降低USB 开关的导通损耗。在过载情况下， 过流保护电路能将输出电流限制在0. 3 A。

1  引言

通用串行总线（ Universal Serial Bus） 使PC 机与外部设备的连接变得简单而迅速， 随着计算机以及与USB 相关便携式设备的发展， USB 必将获得更广泛的应用。由于USB 具有即插即用的特点， 在负载出现异常的瞬间， 电源开关会流过数安培的电流， 从而对电路造成损坏。

本文设计的USB电源开关采用自举电荷泵， 为N 型功率管提供2 倍于电源的栅驱动电压。在负载出现异常时， 过流保护电路能迅速限制功率管电流，以避免热插拔对电路造成损坏。

2  USB 开关电路的整体设计思路

图1 为USB 电源开关的整体设计。其中， V IN为电源输入， VOUT 为USB 的输出。在负载正常的情况下， 由电荷泵产生足够高的栅驱动电压， 使NHV1 工作在深线性区， 以降低从输入电源（ VIN ）到负载电压（ VOUT ） 的导通损耗。当功率管电流高于1 A 时， Currentsense 输出高电平给过流保护电路（ Currentlimit ） ; 过流保护电路通过反馈负载电压给电荷泵， 调节电荷泵输出（ VPUMP ） , 从而使功率管的工作状态由线性区变为饱和区， 限制功率管电流，达到保护功率管的目的。当负载恢复正常后， Currentsense 输出低电平， 电荷泵正常工作。



图1 USB 电源开关原理图

3  电荷泵设计

图2 为一种自举型（ Self-BooST ） 电荷泵的电路原理图。图中，Φ为时钟信号， 控制电荷泵工作。初始阶段电容， C1 和功率管栅电容CGAte 上的电荷均为零。当Φ为低电平时， MP1 导通， 为C1 充电， V1电位升至电源电位， V 2 电位增加， MP2 管导通。假设栅电容远大于电容C1 , V 2 上的电荷全部转移到栅电容C GATE 上。当Φ为高电平时， MN1 导通， 为C1 左极板放电， V1 电位下降至地电位， V2 电位下降， MP2 管截止， MN2 管导通， 给电容C1 右极板充电至V IN 。在Φ的下个低电平时， V1 电位升至电源电位， V2 电位增加至2 VIN , MP2 管导通， VPUMP 电位升至2 V IN - VT 。



图2 自举电荷泵原理图

自举电荷泵不需要为MN2 和MP2 提供栅驱动电压， 控制简单， 但输出电压会有一个阈值损失。图3 是改进后的电荷泵电路图， Φ1 和Φ2 为互补无交叠时钟。由MN2、MN5、MP3、MP2 和电容C2 组成的次电荷泵为MN4、MP4 提供栅压， 以保证其完全关断和开启。当Φ1 为低电平时， MP1 导通，电位增加， 此时， V3 电位为零， MP4 导通， V 2 上的电荷转移到栅电容C GAT E 上， VPUMP 电位升高。当Φ1 为高电平时， MP2 导通， 为C2 充电， V4 电位上升至电源电位， V 3 电位随之上升， MP3 导通， V PUMP 电位继续升高。MN3 相当于二极管， 起单向导电的作用。

在VPUMP 电压升高到VIN + VT 以后， MN3 隔离V3到电源的通路， 保证V3 的电荷由MP3 全部充入栅电容。这样， C1 和C2 相互给栅电容充电， 若干个时钟周期后， 电荷泵输出电压接近两倍电源电压。

在电荷泵输出电压升高的过程中， 功率管提供的负载电流逐渐上升， 避免在容性负载上引起浪涌电流（ inrush current ） 。



图3 改进后的电荷泵

4  过流保护电路设计

当出现过载和短路故障时， 负载电流达到数安培， 需要精确的限流电路为功率管和输入电源提供保护。对于MOS 器件， 只有工作在饱和区时的电流容易控制。限流就是通过反馈负载电压， 调节电荷泵输出电压来实现的。图4 是限流电路的原理图。



图4 限流电路原理图

N 型功率管NHV 的源与P 型限流管MP6 的栅相接， N 型功率管NHV 的栅与P 型限流管MP6的源相接。从而达到控制功率管栅源压降的目的。

当负载电流超过1A 时， 电流限信号（ VLIMIT ） 为高电平， MN7 导通， 栅电荷经MP6 流向地， 栅电压减小， 功率管工作在饱和区。C1、C2 为电荷泵电容值，在一个时钟周期T 内， 由电荷泵充入的栅电荷为：



当功率管栅压稳定时， 电荷泵充入的栅电荷等于限流管放掉的栅电荷。限流管泄放电流为：



由



得功率管和限流管的电流关系：



式中， VTP 和VTN 分别是P 型管和N 型管阈值电压， M 为N 型功率管的并联数。

通过设置NHV 和MP6 宽长比、功率管的并联个数、电荷泵的时钟周期以及电荷泵的电容值， 就可以确定功率管的电流。当负载恢复正常后， 电流限信号（ V LIMIT ） 为低电平， MN7 截止， 电荷泵正常工作， 为功率管提供2 倍于电源的栅驱动电压。这种过流保护电路通过MP6 泄放功率管的栅电荷， 易实现限流功能， 适用于N 型功率管的电源开关。

5  仿真结果与讨论

图5 为负载正常情况下负载输出电压和功率管电流的仿真波形。电源电压为5 V, C1、C2 电容值为1 pF, 时钟周期为40 s, NHV 和MP6 宽长比的比值为300, 功率管的并联个数为1  103。采用0. 6 m30 V BCD 工艺， 在典型条件下， 用HSPICE 对整体电路仿真。由波形可以看出， 在1 ms 内， 负载输出电压逐渐上升， 功率管电流没有过冲， 启动时间为1. 7 ms。3 ms 后， 功率管完全开启， 为负载提供电源。



图5  启动时功率管电流和负载输出电压

表1 为限流电路工作时功率管的平均栅电压和平均电流。图6 为USB 开关启动8 ms 后负载短路到恢复正常的仿真结果。U SB 开关在负载正常情况下启动， 8 ms 后负载短路， 负载电流过冲到3. 1A。当过流保护电路工作后， 过流保护电路将电流限制在0. 3 A, 保护了U SB 端口。16 ms 后， 负载恢复正常， 电源开关重新启动。

表1 限流时功率管平均栅电压和平均电流





图6  USB 开关在启动、限流和恢复正常过程中， 电荷泵输出电压、负载输出电压和功率管电流的仿真波形

6  结论

本文设计了一种满足USB 规范的电源开关。一种结构简单的自举电荷泵为N 型功率管提供栅驱动电压， 以降低开关的导通损耗。精确的限流电路针对过载和短路故障， 对输入电源提供保护。仿真结果表明， 在负载短路瞬间， 限流电路能够有效地减小过冲电流， 并能把电流限制在0. 3 A, 达到保护USB 端口的目的。