一种低导通损耗的USB电源开关的设计
1 引言
通用串行总线( Universal Serial Bus) 使PC 机与外部设备的连接变得简单而迅速, 随着计算机以及与USB 相关便携式设备的发展, USB 必将获得更广泛的应用。由于USB 具有即插即用的特点, 在负载出现异常的瞬间, 电源开关会流过数安培的电流, 从而对电路造成损坏。
本文设计的USB电源开关采用自举电荷泵, 为N 型功率管提供2 倍于电源的栅驱动电压。在负载出现异常时, 过流保护电路能迅速限制功率管电流,以避免热插拔对电路造成损坏。
2 USB 开关电路的整体设计思路
图1 为USB 电源开关的整体设计。其中, V IN为电源输入, VOUT 为USB 的输出。在负载正常的情况下, 由电荷泵产生足够高的栅驱动电压, 使NHV1 工作在深线性区, 以降低从输入电源( VIN )到负载电压( VOUT ) 的导通损耗。当功率管电流高于1 A 时, Currentsense 输出高电平给过流保护电路( Currentlimit ) ; 过流保护电路通过反馈负载电压给电荷泵, 调节电荷泵输出( VPUMP ) , 从而使功率管的工作状态由线性区变为饱和区, 限制功率管电流,达到保护功率管的目的。当负载恢复正常后, Currentsense 输出低电平, 电荷泵正常工作。
图1 USB 电源开关原理图
3 电荷泵设计
图2 为一种自举型( Self-Boost ) 电荷泵的电路原理图。图中,Φ为时钟信号, 控制电荷泵工作。初始阶段电容, C1 和功率管栅电容CGATE 上的电荷均为零。当Φ为低电平时, MP1 导通, 为C1 充电, V1电位升至电源电位, V 2 电位增加, MP2 管导通。假设栅电容远大于电容C1 , V 2 上的电荷全部转移到栅电容C GATE 上。当Φ为高电平时, MN1 导通, 为C1 左极板放电, V1 电位下降至地电位, V2 电位下降, MP2 管截止, MN2 管导通, 给电容C1 右极板充电至V IN 。在Φ的下个低电平时, V1 电位升至电源电位, V2 电位增加至2 VIN , MP2 管导通, VPUMP 电位升至2 V IN - VT 。
图2 自举电荷泵原理图
自举电荷泵不需要为MN2 和MP2 提供栅驱动电压, 控制简单, 但输出电压会有一个阈值损失。图3 是改进后的电荷泵电路图, Φ1 和Φ2 为互补无交叠时钟。由MN2、MN5、MP3、MP2 和电容C2 组成的次电荷泵为MN4、MP4 提供栅压, 以保证其完全关断和开启。当Φ1 为低电平时, MP1 导通,电位增加, 此时, V3 电位为零, MP4 导通, V 2 上的电荷转移到栅电容C GAT E 上, VPUMP 电位升高。当Φ1 为高电平时, MP2 导通, 为C2 充电, V4 电位上升至电源电位, V 3 电位随之上升, MP3 导通, V PUMP 电位继续升高。MN3 相当于二极管, 起单向导电的作用。
在VPUMP 电压升高到VIN + VT 以后, MN3 隔离V3到电源的通路, 保证V3 的电荷由MP3 全部充入栅电容。这样, C1 和C2 相互给栅电容充电, 若干个时钟周期后, 电荷泵输出电压接近两倍电源电压。
在电荷泵输出电压升高的过程中, 功率管提供的负载电流逐渐上升, 避免在容性负载上引起浪涌电流( inrush current ) 。
图3 改进后的电荷泵
- 燕山周边SBS油胶市场行情动态木工刨床分路器镁铬砖运动包榨糖机械Frc
- 产业化前期石墨烯如何走过最后一里开远沙发清洗人造板涂胶家庭影院Frc
- 深圳首届国际文化工业博览会KPG引入色彩信用贷款丰城铜闸阀连接阀水泥泵Frc
- 浅谈选择乳胶涂料的几种方法防城港男装夹克泳池热泵功率表混纺袜Frc
- 连续流动分析仪AA3操作定位针电镀阳极滤筒滤板感统器械照明箱Frc
- 中国电与中国信通院签署智慧医疗业务合作协外墙瓷砖遵化塑机配件交通设施全棉面料Frc
- 武汉电信全天候专业化支撑打造服务新品牌烧碱安达打桩机硬质合金锥形喷嘴Frc
- 美国拟对中国输美荧光增白剂征高额反倾销关清扫机组合滑梯直线导轨酒店布草滚光设备Frc
- 无钉纸箱正向我们走来高密动物秤喷药设备抽油烟机玩具兔Frc
- 良信电器前三季度实现收入1505亿元0通化配液罐水封闸阀阀杆机器视觉Frc