1 引言
通用串行總線(UniversalSerialBus)使PC機與外部設備的連接變得簡單而迅速，隨著計算機以及與USB相關便攜式設備的發展，USB必將獲得更廣泛的應用。由于USB具有即插即用的特點，在負載出現異常的瞬間，電源開關會流過數安培的電流，從而對電路造成損壞。
本文設計的USB電源開關采用自舉電荷泵，為N型功率管提供2倍于電源的柵驅動電壓。在負載出現異常時，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開關電路的整體設計思路
圖1為USB電源開關的整體設計。其中，VIN為電源輸入，VOUT為USB的輸出。在負載正常的情況下，由電荷泵產生足夠高的柵驅動電壓，使NHV1工作在深線性區，以降低從輸入電源(VIN)到負載電壓(VOUT)的導通損耗。當功率管電流高于1A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，調節電荷泵輸出(VPUMP)，從而使功率管的工作狀態由線性區變為飽和區，限制功率管電流，達到保護功率管的目的。當負載恢復正常后，Currentsense輸出低電平，電荷泵正常工作。
圖1 USB電源開關原理圖
3 電荷泵設計
圖2為一種自舉型(SelfBooST)電荷泵的電路原理圖。圖中，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。當為低電平時，MP1導通，為C1充電，V1電位升至電源電位，V2電位增加，MP2管導通。假設柵電容遠大于電容C1，V2上的電荷全部轉移到柵電容CGATE上。當為高電平時，MN1導通，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管導通，給電容C1右極板充電至VIN。在的下個低電平時，V1電位升至電源電位，V2電位增加至2VIN，MP2管導通，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，1和2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，以保證其完全關斷和開啟。當1為低電平時，MP1導通，電位增加，此時，V3電位為零，MP4導通，V2上的電荷轉移到柵電容CGATE上，VPUMP電位升高。當1為高電平時，MP2導通，為C2充電，V4電位上升至電源電位，V3電位隨之上升，MP3導通，VPUMP電位繼續升高。MN3相當于二極管，起單向導電的作用。
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。
圖3 改進后的電荷泵
4 過流保護電路設計
當出現過載和短路故障時，負載電流達到數安培，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，只有工作在飽和區時的電流容易控制。限流就是通過反饋負載電壓，調節電荷泵輸出電壓來實現的。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MP6流向地，柵電壓減小，功率管工作在飽和區。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：
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型功率管的并聯數。
通過設置NHV和MP6寬長比、功率管的并聯個數、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(VLIMIT)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5V，C1、C2電容值為1pF，時鐘周期為40s，NHV和MP6寬長比的比值為300，功率管的并聯個數為1103。采用0.6m30VBCD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1ms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1.7ms。3ms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8ms后負載短路到恢復正常的仿真結果。USB開關在負載正常情況下啟動，8ms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0.3A，保護了USB端口。16ms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0.3A，達到保護USB端口的目的。