保護USB的電源開關設計方案

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(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(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：

　　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。

　　通過設置NHV和MP6寬長比、功率管的并聯(lián)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(lián)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(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0.3A,達到保護USB端口的目的。