一種低導通損耗的USB電源開關的設計

　　1 引言

　　通用串行總線（ Universal Serial Bus） 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， 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1 A 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（ Self-Boost ） 電荷泵的電路原理圖。圖中，Φ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Φ為低電平時， 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， 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的下個低電平時， 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， Φ1 和Φ2 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Φ1 為低電平時， MP1 導通，電位增加， 此時， 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， 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。

　　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（ inrush current ） 。

圖3 改進后的電荷泵