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一种低导通损耗的USB电源开关的设计

发布时间:2020-07-21 17:24:29 阅读: 来源:门铃厂家

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

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