低导通损耗的USB电源开关设计方案

发布时间：2014-01-25 阅读量：755 来源: 发布人:

【导读】通用串行总线（USB）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。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。

本文方案中所设计的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。

USB 开关电路方案设计的整体思路

图1 为USB 电源开关方案的整体设计。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

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

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。

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。

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。USB 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

结论

本文提出了一种满足USB 规范的电源开关设计方案。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，进而证实了该方案的实用性。

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