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一种USB电源开关的设计 摘要: 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 A。 关键词: USB开关;自举电荷泵; N型功率管;过流保护 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,VIN 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,Current-sense输出高电平给过流保护电路 (Current-limit);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,Cur- rent-sense输出低电平,电荷泵正常工作。 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,V2电位增加,MP2管导通。假 设栅电容远大于电容C1,V2上的电荷全部转移到 栅电容CGATE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VIN。在Φ的下个低电平时,V1电位升至电源 电位,V2电位增加至2VIN,MP2管导通,VPUMP电 位升至2VIN-VT。 自举电荷泵不需要为MN2和MP2提供栅驱 动电压,控制简单[1],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,V2上的电 荷转移到栅电容CGATE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,V3电位随之上升,MP3导通,VPUMP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[2]。 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 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。 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1 A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: Q=VIN×C1+VIN×C2(1) 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: IL=QT=VIN×C1+VIN×C2T(2) 由VGS(NHV)=VSG(MP6)(3) 得功率管和限流管的电流关系: 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40μs,NHV和MP6宽长比的比值 为300,功率管的并联个数为1×103。采用μm 30 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 ms。 3 ms后,功率管完全开启,为负载提供电源。 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 A。当过流保护电路工作后,过流保护电路将电流 限制在 A,保护了USB端口。16 ms后,负载恢 复正常,电源开关重新启动. 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 Simulation waveforms of charge pump output volt- age,power switch output voltage and power tran- sistor current during startup, current-limit and normal operation 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 A,达到保护 USB端口的目的。 参考文献: [1] PARK S, JAHNS T M. A self-boost charge pump to- pology for a gate drive high-side power supply [J]. IEEE Tans Power Electronics, 2005, 20 (2): 300- 307. [2] DI CATALDO G, PALUMBO G. Double and triple charge pump for power IC: dynamic models which take parasitic effects into account [J]. IEEE Trans Circ and Syst. 1993, 40 (2): 90-100.