一種低導通損耗的USB 電源開(kāi)關(guān)的設計方案

　　1 引言

　　通用串行總線(xiàn)（ Universal Serial Bus） 使PC 機與外部設備的連接變得簡(jiǎn)單而迅速， 隨著(zhù)計算機以及與USB 相關(guān)便攜式設備的發(fā)展， USB 必將獲得更廣泛的應用。由于USB 具有即插即用的特點(diǎn)， 在負載出現異常的瞬間， 電源開(kāi)關(guān)會(huì )流過(guò)數安培的電流， 從而對電路造成損壞。

　　本文方案中所設計的USB電源開(kāi)關(guān)采用自舉電荷泵， 為N 型功率管提供2 倍于電源的柵驅動(dòng)電壓。在負載出現異常時(shí)， 過(guò)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(kāi)關(guān)電路方案設計的整體思路

　　圖1 為USB 電源開(kāi)關(guān)方案的整體設計。其中， V IN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(chǎn)生足夠高的柵驅動(dòng)電壓， 使NHV1 工作在深線(xiàn)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1 A 時(shí)， Currentsense 輸出高電平給過(guò)流保護電路（ Currentlimit ） ; 過(guò)流保護電路通過(guò)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(tài)由線(xiàn)性區變?yōu)轱柡蛥^， 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(kāi)關(guān)原理圖

　　3 電荷泵設計

　　圖2 為一種自舉型（ Self-BooST ） 電荷泵的電路原理圖。圖中，Φ為時(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Φ為低電平時(shí)， MP1 導通， 為C1 充電， V1電位升至電源電位， V 2 電位增加， MP2 管導通。假設柵電容遠大于電容C1 , V 2 上的電荷全部轉移到柵電容C GATE 上。當Φ為高電平時(shí)， 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V IN .在Φ的下個(gè)低電平時(shí)， V1 電位升至電源電位， V2 電位增加至2 VIN , MP2 管導通， 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 提供柵驅動(dòng)電壓， 控制簡(jiǎn)單， 但輸出電壓會(huì )有一個(gè)閾值損失。圖3 是改進(jìn)后的電荷泵電路圖， Φ1 和Φ2 為互補無(wú)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(kāi)啟。當Φ1 為低電平時(shí)， MP1 導通，電位增加， 此時(shí)， V3 電位為零， MP4 導通， V 2 上的電荷轉移到柵電容C GAT E 上， VPUMP 電位升高。當Φ1 為高電平時(shí)， MP2 導通， 為C2 充電， V4 電位上升至電源電位， V 3 電位隨之上升， MP3 導通， V PUMP 電位繼續升高。MN3 相當于二極管， 起單向導電的作用。