如何實現(xiàn)低導(dǎo)通損耗的USB電源開關(guān)的設(shè)計?
摘 要:本文設(shè)計了一種低導(dǎo)通損耗的USB 電源開關(guān)電路。該電路采用自舉電荷泵為N 型功率管提供足夠高的柵壓, 以降低USB 開關(guān)的導(dǎo)通損耗。在過載情況下, 過流保護電路能將輸出電流限制在0. 3 A。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/385888.htm1 引言
通用串行總線( Universal Serial Bus) 使PC 機與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速, 隨著計算機以及與USB 相關(guān)便攜式設(shè)備的發(fā)展, USB 必將獲得更廣泛的應(yīng)用。由于USB 具有即插即用的特點, 在負載出現(xiàn)異常的瞬間, 電源開關(guān)會流過數(shù)安培的電流, 從而對電路造成損壞。
本文設(shè)計的USB電源開關(guān)采用自舉電荷泵, 為N 型功率管提供2 倍于電源的柵驅(qū)動電壓。在負載出現(xiàn)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(guān)電路的整體設(shè)計思路
圖1 為USB 電源開關(guān)的整體設(shè)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(chǎn)生足夠高的柵驅(qū)動電壓, 使NHV1 工作在深線性區(qū), 以降低從輸入電源( VIN )到負載電壓( VOUT ) 的導(dǎo)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(diào)節(jié)電荷泵輸出( VPUMP ) , 從而使功率管的工作狀態(tài)由線性區(qū)變?yōu)轱柡蛥^(qū), 限制功率管電流,達到保護功率管的目的。當負載恢復(fù)正常后, Currentsense 輸出低電平, 電荷泵正常工作。
圖1 USB 電源開關(guān)原理圖
3 電荷泵設(shè)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(dǎo)通, 為C1 充電, V1電位升至電源電位, V 2 電位增加, MP2 管導(dǎo)通。假設(shè)柵電容遠大于電容C1 , V 2 上的電荷全部轉(zhuǎn)移到柵電容C GATE 上。當Φ為高電平時, MN1 導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(qū)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(guān)斷和開啟。當Φ1 為低電平時, MP1 導(dǎo)通,電位增加, 此時, V3 電位為零, MP4 導(dǎo)通, V 2 上的電荷轉(zhuǎn)移到柵電容C GAT E 上, VPUMP 電位升高。當Φ1 為高電平時, MP2 導(dǎo)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(dǎo)通, V PUMP電位繼續(xù)升高。MN3 相當于二極管, 起單向?qū)щ姷淖饔谩?/p>
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(shè)計
當出現(xiàn)過載和短路故障時, 負載電流達到數(shù)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(qū)時的電流容易控制。限流就是通過反饋負載電壓, 調(diào)節(jié)電荷泵輸出電壓來實現(xiàn)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(dǎo)通, 柵電荷經(jīng)MP6 流向地, 柵電壓減小, 功率管工作在飽和區(qū)。C1、C2 為電荷泵電容值,在一個時鐘周期T 內(nèi), 由電荷泵充入的柵電荷為:
當功率管柵壓穩(wěn)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(guān)系:
得功率管和限流管的電流關(guān)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(lián)數(shù)。
通過設(shè)置NHV 和MP6 寬長比、功率管的并聯(lián)個數(shù)、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(fù)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(qū)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(xiàn)限流功能, 適用于N 型功率管的電源開關(guān)。
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