低导通损耗的USB电源开关的设计

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C_GAte 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 V_IN , MP2 管导通， V_PUMP 电位升至2 V _IN - V_T 。

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， V_PUMP 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V_PUMP 电压升高到V_IN + V_T 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（ V_LIMIT ） 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， V_TP 和V_TN 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