【導讀】通用串行總線（USB）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(guān)便攜式設備的發(fā)展，USB 必將獲得更廣泛的應用。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。
本文方案中所設計的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。
USB 開關(guān)電路方案設計的整體思路
圖1 為USB 電源開關(guān)方案的整體設計。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(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(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(guān)原理圖
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(zhuǎn)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(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，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(guān)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(zhuǎn)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?qū)щ姷淖饔谩?
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
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(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。
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(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)。
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(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. 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(guān)啟動8 ms 后負載短路到恢復正常的仿真結(jié)果。USB 開關(guān)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(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
結(jié)論
本文提出了一種滿足USB 規(guī)范的電源開關(guān)設計方案。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. 3 A,，達到保護USB 端口的目的，進而證實了該方案的實用性。
