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一种低导通损耗的USB电源开关的设计

2011-9-20 10:42:46 3276

0 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。 0
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