一種低導(dǎo)通損耗的USB電源開關(guān)的設(shè)計
1 引言
通用串行總線( Universal Serial Bus) 使PC 機(jī)與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速, 隨著計算機(jī)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(fù)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(fù)載出現(xiàn)異常時, 過流保護(hù)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(fù)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(fù)載電壓( VOUT ) 的導(dǎo)通損耗。當(dāng)功率管電流高于1 A 時, Currentsense 輸出高電平給過流保護(hù)電路( Currentlimit ) ; 過流保護(hù)電路通過反饋負(fù)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(dá)到保護(hù)功率管的目的。當(dāng)負(fù)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(dāng)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(yuǎn)大于電容C1 , V 2 上的電荷全部轉(zhuǎn)移到柵電容C GATE 上。當(dāng)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(jìn)后的電荷泵電路圖, Φ1 和Φ2 為互補(bǔ)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(fù)載電流逐漸上升, 避免在容性負(fù)載上引起浪涌電流( inrush current ) 。
圖3 改進(jìn)后的電荷泵
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