保護(hù)USB的電源開關(guān)設(shè)計(jì)方案

1 引言

　　通用串行總線（UniversalSerialBus）使PC機(jī)與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速，隨著計(jì)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(diǎn)，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(jì)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(shí)，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(jì)思路

　　圖1為USB電源開關(guān)的整體設(shè)計(jì)。其中，VIN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1A時(shí)，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(jì)

　　圖2為一種自舉型（SelfBooST）電荷泵的電路原理圖。圖中，為時(shí)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)為低電平時(shí)，MP1導(dǎo)通，為C1充電，V1電位升至電源電位，V2電位增加，MP2管導(dǎo)通。假設(shè)柵電容遠(yuǎn)大于電容C1,V2上的電荷全部轉(zhuǎn)移到柵電容CGATE上。當(dāng)為高電平時(shí)，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VIN。在的下個(gè)低電平時(shí)，V1電位升至電源電位，V2電位增加至2VIN,MP2管導(dǎo)通，VPUMP電位升至2VIN-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(gè)閾值損失。圖3是改進(jìn)后的電荷泵電路圖，1和2為互補(bǔ)無交疊時(shí)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)1為低電平時(shí)，MP1導(dǎo)通，電位增加，此時(shí)，V3電位為零，MP4導(dǎo)通，V2上的電荷轉(zhuǎn)移到柵電容CGATE上，VPUMP電位升高。當(dāng)1為高電平時(shí)，MP2導(dǎo)通，為C2充電，V4電位上升至電源電位，V3電位隨之上升，MP3導(dǎo)通，VPUMP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(gè)時(shí)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。

圖3 改進(jìn)后的電荷泵