一種低導(dǎo)通損耗的USB電源開關(guān)的設(shè)計(jì)

4 過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)出現(xiàn)過載和短路故障時(shí)， 負(fù)載電流達(dá)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(hù)。對(duì)于MOS 器件， 只有工作在飽和區(qū)時(shí)的電流容易控制。限流就是通過反饋負(fù)載電壓， 調(diào)節(jié)電荷泵輸出電壓來(lái)實(shí)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(dá)到控制功率管柵源壓降的目的。

　　當(dāng)負(fù)載電流超過1A 時(shí)， 電流限信號(hào)（ 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(gè)時(shí)鐘周期T 內(nèi)， 由電荷泵充入的柵電荷為：

　　當(dāng)功率管柵壓穩(wěn)定時(shí)， 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：

　　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(zhǎng)比、功率管的并聯(lián)個(gè)數(shù)、電荷泵的時(shí)鐘周期以及電荷泵的電容值， 就可以確定功率管的電流。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常后， 電流限信號(hào)（ 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(dòng)電壓。這種過流保護(hù)電路通過MP6 泄放功率管的柵電荷， 易實(shí)現(xiàn)限流功能， 適用于N 型功率管的電源開關(guān)。

　　5 仿真結(jié)果與討論

　　圖5 為負(fù)載正常情況下負(fù)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(shí)鐘周期為40 s, NHV 和MP6 寬長(zhǎng)比的比值為300, 功率管的并聯(lián)個(gè)數(shù)為1 103。采用0. 6 m30 V BCD 工藝， 在典型條件下， 用HSPICE 對(duì)整體電路仿真。由波形可以看出， 在1 ms 內(nèi)， 負(fù)載輸出電壓逐漸上升， 功率管電流沒有過沖， 啟動(dòng)時(shí)間為1. 7 ms。3 ms 后， 功率管完全開啟， 為負(fù)載提供電源。

圖5 啟動(dòng)時(shí)功率管電流和負(fù)載輸出電壓

　　表1 為限流電路工作時(shí)功率管的平均柵電壓和平均電流。圖6 為USB 開關(guān)啟動(dòng)8 ms 后負(fù)載短路到恢復(fù)正常的仿真結(jié)果。U SB 開關(guān)在負(fù)載正常情況下啟動(dòng)， 8 ms 后負(fù)載短路， 負(fù)載電流過沖到3. 1A。當(dāng)過流保護(hù)電路工作后， 過流保護(hù)電路將電流限制在0. 3 A, 保護(hù)了U SB 端口。16 ms 后， 負(fù)載恢復(fù)正常， 電源開關(guān)重新啟動(dòng)。

表1 限流時(shí)功率管平均柵電壓和平均電流

圖6 USB 開關(guān)在啟動(dòng)、限流和恢復(fù)正常過程中， 電荷泵輸出電壓、負(fù)載輸出電壓和功率管電流的仿真波形

　　6 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種滿足USB 規(guī)范的電源開關(guān)。一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的自舉電荷泵為N 型功率管提供柵驅(qū)動(dòng)電壓， 以降低開關(guān)的導(dǎo)通損耗。精確的限流電路針對(duì)過載和短路故障， 對(duì)輸入電源提供保護(hù)。仿真結(jié)果表明， 在負(fù)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(dá)到保護(hù)USB 端口的目的。