1 导言
通用串行总线(UniversalSerialBus)使PC机与外部设备的衔接变得简略而敏捷，跟着计算机以及与USB相关便携式设备的开展，USB必将取得更广泛的使用。因为USB具有即插即用的特色，在负载呈现异常的瞬间，电源开关会流过数安培的电流，然后对电路形成损坏。
本文规划的USB电源开关选用自举电荷泵，为N型功率管供给2倍于电源的栅驱动电压。在负载呈现异常时，过流维护电路能敏捷约束功率管电流，以防止热插拔对电路形成损坏。
2 USB开关电路的全体规划思路
图1为USB电源开关的全体规划。其间，VIN为电源输入，VOUT为USB的输出。在负载正常的情况下，由电荷泵发生足够高的栅驱动电压，使NHV1作业在深线性区，以下降从输入电源(VIN)到负载电压(VOUT)的导通损耗。当功率管电流高于1A时，Currentsense输出高电平给过流维护电路(Currentlimit);过流维护电路经过反应负载电压给电荷泵，调理电荷泵输出(VPUMP)，然后使功率管的作业状况由线性区变为饱满区，约束功率管电流，到达维护功率管的意图。当负载康复正常后，Currentsense输出低电平，电荷泵正常作业。
图1 USB电源开关原理图
3 电荷泵规划
图2为一种自举型(SelfBoost)电荷泵的电路原理图。图中，为时钟信号，操控电荷泵作业。初始阶段电容，C1和功率管栅电容CGATE上的电荷均为零。当为低电平时，MP1导通，为C1充电，V1电位升至电源电位，V2电位添加，MP2管导通。假定栅电容远大于电容C1，V2上的电荷悉数转移到栅电容CGATE上。当为高电平时，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。在的下个低电平时，V1电位升至电源电位，V2电位添加至2VIN，MP2管导通，VPUMP电位升至2VIN-VT。
图2 自举电荷泵原理图
自举电荷泵不需求为MN2和MP2供给栅驱动电压，操控简略，但输出电压会有一个阈值丢失。图3是改善后的电荷泵电路图，1和2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供给栅压，以确保其彻底关断和敞开。当1为低电平时，MP1导通，电位添加，此刻，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1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电位持续升高。MN3相当于二极管，起单向导电的效果。
在VPUMP电压升高到VIN+VT今后，MN3阻隔V3到电源的通路，确保V3的电荷由MP3悉数充入栅电容。这样，C1和C2彼此给栅电容充电，若干个时钟周期后，电荷泵输出电压挨近两倍电源电压。
在电荷泵输出电压升高的过程中，功率管供给的负载电流逐步上升，防止在容性负载上引起浪涌电流。
图3 改善后的电荷泵
4 过流维护电路规划
当呈现过载和短路毛病时，负载电流到达数安培，需求准确的限流电路为功率管和输入电源供给维护。关于MOS器材，只要作业在饱满区时的电流简略操控。限流便是经过反应负载电压，调理电荷泵输出电压来完成的。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。然后到达操控功率管栅源压降的意图。
当负载电流超越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，功率管作业在饱满区。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：
当功率管栅压稳守时，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：
得功率管和限流管的电流联系：
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。
经过设置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，就可以确认功率管的电流。当负载康复正常后，电流限信号(VLIMIT)为低电平，MN7截止，电荷泵正常作业，为功率管供给2倍于电源的栅驱动电压。这种过流维护电路经过MP6泄放功率管的栅电荷，易完成限流功用，适用于N型功率管的电源开关。
5 仿真成果与评论
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5V，C1、C2电容值为1pF，时钟周期为40s，NHV和MP6宽长比的比值为300，功率管的并联个数为1103。选用0.6m30VBCD工艺，在典型条件下，用HSPICE对全体电路仿真。由波形可以看出，在1ms内，负载输出电压逐步上升，功率管电流没有过冲，发动时刻为1.7ms。
3ms后，功率管彻底敞开，为负载供给电源。
图5 发动时功率管电流和负载输出电压
表1为限流电路作业时功率管的均匀栅电压和均匀电流。图6为USB开关发动8ms后负载短路到康复正常的仿真成果。USB开关在负载正常情况下发动，8ms后负载短路，负载电流过冲到3.1A。当过流维护电路作业后，过流维护电路将电流约束在0.3A，维护了USB端口。16ms后，负载康复正常，电源开关重新发动。
表1 限流时功率管均匀栅电压和均匀电流
图6 USB开关在发动、限流和康复正常过程中，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 定论
本文规划了一种满意USB标准的电源开关。
一种结构简略的自举电荷泵为N型功率管供给栅驱动电压，以下降开关的导通损耗。准确的限流电路针对过载和短路毛病，对输入电源供给维护。仿真成果表明，在负载短路瞬间，限流电路可以有效地减小过冲电流，并能把电流约束在0.3A，到达维护USB端口的意图。
