1 引言
通用串行總線（ Universal Serial Bus） 使PC 機與外部設備的連接變得簡單而迅速， 隨著計算機以及與USB 相關便攜式設備的發展， USB 必將獲得更廣泛的應用。由于USB 具有即插即用的特點， 在負載出現異常的瞬間， 電源開關會流過數安培的電流， 從而對電路造成損壞。
本文設計的USB電源開關采用自舉電荷泵， 為N 型功率管提供2 倍于電源的柵驅動電壓。在負載出現異常時， 過流保護電路能迅速限制功率管電流，以避免熱插拔對電路造成損壞。
2 USB 開關電路的整體設計思路
圖1 為USB 電源開關的整體設計。其中， V IN為電源輸入， VOUT 為USB 的輸出。在負載正常的情況下， 由電荷泵產生足夠高的柵驅動電壓， 使NHV1 工作在深線性區， 以降低從輸入電源（ VIN ）到負載電壓（ VOUT ） 的導通損耗。當功率管電流高于1 A 時， Currentsense 輸出高電平給過流保護電路（ Currentlimit ） ; 過流保護電路通過反饋負載電壓給電荷泵， 調節電荷泵輸出（ VPUMP ） ， 從而使功率管的工作狀態由線性區變為飽和區， 限制功率管電流，達到保護功率管的目的。當負載恢復正常后， Currentsense 輸出低電平， 電荷泵正常工作。
圖1 USB 電源開關原理圖
3 電荷泵設計
圖2 為一種自舉型（ Self-BooST ） 電荷泵的電路原理圖。圖中，Φ為時鐘信號， 控制電荷泵工作。初始階段電容， C1 和功率管柵電容CGAte 上的電荷均為零。當Φ為低電平時， MP1 導通， 為C1 充電， V1電位升至電源電位， V 2 電位增加， MP2 管導通。假設柵電容遠大于電容C1 ， V 2 上的電荷全部轉移到柵電容C GATE 上。當Φ為高電平時， MN1 導通， 為C1 左極板放電， V1 電位下降至地電位， V2 電位下降， MP2 管截止， MN2 管導通， 給電容C1 右極板充電至V IN 。在Φ的下個低電平時， V1 電位升至電源電位， V2 電位增加至2 VIN ， MP2 管導通， VPUMP 電位升至2 V IN - VT 。
圖2 自舉電荷泵原理圖
自舉電荷泵不需要為MN2 和MP2 提供柵驅動電壓， 控制簡單， 但輸出電壓會有一個閾值損失。圖3 是改進后的電荷泵電路圖， Φ1 和Φ2 為互補無交疊時鐘。由MN2、MN5、MP3、MP2 和電容C2 組成的次電荷泵為MN4、MP4 提供柵壓， 以保證其完全關斷和開啟。當Φ1 為低電平時， MP1 導通，電位增加， 此時， V3 電位為零， MP4 導通， V 2 上的電荷轉移到柵電容C GAT E 上， VPUMP 電位升高。當Φ1 為高電平時， MP2 導通， 為C2 充電， V4 電位上升至電源電位， V 3 電位隨之上升， MP3 導通， V PUMP電位繼續升高。MN3 相當于二極管， 起單向導電的作用。
在VPUMP 電壓升高到VIN + VT 以后， MN3 隔離V3到電源的通路， 保證V3 的電荷由MP3 全部充入柵電容。這樣， C1 和C2 相互給柵電容充電， 若干個時鐘周期后， 電荷泵輸出電壓接近兩倍電源電壓。
在電荷泵輸出電壓升高的過程中， 功率管提供的負載電流逐漸上升， 避免在容性負載上引起浪涌電流（ inrush current ） 。
圖3 改進后的電荷泵
4 過流保護電路設計
當出現過載和短路故障時， 負載電流達到數安培， 需要精確的限流電路為功率管和輸入電源提供保護。對于MOS 器件， 只有工作在飽和區時的電流容易控制。限流就是通過反饋負載電壓， 調節電荷泵輸出電壓來實現的。圖4 是限流電路的原理圖。
圖4 限流電路原理圖
N 型功率管NHV 的源與P 型限流管MP6 的柵相接， N 型功率管NHV 的柵與P 型限流管MP6的源相接。從而達到控制功率管柵源壓降的目的。
當負載電流超過1A 時， 電流限信號（ VLIMIT ） 為高電平， MN7 導通， 柵電荷經MP6 流向地， 柵電壓減小， 功率管工作在飽和區。C1、C2 為電荷泵電容值，在一個時鐘周期T 內， 由電荷泵充入的柵電荷為：
當功率管柵壓穩定時， 電荷泵充入的柵電荷等于限流管放掉的柵電荷。限流管泄放電流為：
由
得功率管和限流管的電流關系：
式中， VTP 和VTN 分別是P 型管和N 型管閾值電壓， M 為N 型功率管的并聯數。
通過設置NHV 和MP6 寬長比、功率管的并聯個數、電荷泵的時鐘周期以及電荷泵的電容值， 就可以確定功率管的電流。當負載恢復正常后， 電流限信號（ V LIMIT ） 為低電平， MN7 截止， 電荷泵正常工作， 為功率管提供2 倍于電源的柵驅動電壓。這種過流保護電路通過MP6 泄放功率管的柵電荷， 易實現限流功能， 適用于N 型功率管的電源開關。
5 仿真結果與討論
圖5 為負載正常情況下負載輸出電壓和功率管電流的仿真波形。電源電壓為5 V， C1、C2 電容值為1 pF， 時鐘周期為40 s， NHV 和MP6 寬長比的比值為300， 功率管的并聯個數為1 103。采用0. 6 m30 V BCD 工藝， 在典型條件下， 用HSPICE 對整體電路仿真。由波形可以看出， 在1 ms 內， 負載輸出電壓逐漸上升， 功率管電流沒有過沖， 啟動時間為1. 7 ms。3 ms 后， 功率管完全開啟， 為負載提供電源。
圖5 啟動時功率管電流和負載輸出電壓
表1 為限流電路工作時功率管的平均柵電壓和平均電流。圖6 為USB 開關啟動8 ms 后負載短路到恢復正常的仿真結果。U SB 開關在負載正常情況下啟動， 8 ms 后負載短路， 負載電流過沖到3. 1A。當過流保護電路工作后， 過流保護電路將電流限制在0. 3 A， 保護了U SB 端口。16 ms 后， 負載恢復正常， 電源開關重新啟動。
表1 限流時功率管平均柵電壓和平均電流
圖6 USB 開關在啟動、限流和恢復正常過程中， 電荷泵輸出電壓、負載輸出電壓和功率管電流的仿真波形
6 結論
本文設計了一種滿足USB 規范的電源開關。一種結構簡單的自舉電荷泵為N 型功率管提供柵驅動電壓， 以降低開關的導通損耗。精確的限流電路針對過載和短路故障， 對輸入電源提供保護。仿真結果表明， 在負載短路瞬間， 限流電路能夠有效地減小過沖電流， 并能把電流限制在0. 3 A， 達到保護USB 端口的目的。