一種低導通損耗的USB電源開關的設計

4 過流保護電路設計

　　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， 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(xiàn)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(lián)個數(shù)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(guī)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。