摘 要：本文规划了一种低导通损耗的USB 电源开关电路。该电路选用自举电荷泵为N 型功率管供给足够高的栅压， 以下降USB 开关的导通损耗。在过载情况下， 过流维护电路能将输出电流约束在0. 3 A。
1 导言
通用串行总线( Universal Serial Bus) 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， 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1 A 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( Self-BooST ) 电荷泵的电路原理图。图中，Φ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 电位添加， MP2 管导通。假定栅电容远大于电容C1 ， V 2 上的电荷悉数转移到栅电容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 电位添加至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， 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 供给栅压， 以确保其彻底关断和敞开。当Φ1 为低电平时， MP1 导通，电位添加， 此刻， 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( inrush current ) 。
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单操控。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：
由
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%&&&&&%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( V LIMIT ) 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。
