低导通损耗的USB电源开关的设计

本文设计了一种低导通损耗的USB 电源开关电路。该电路采用自举电荷泵为N 型功率管提供足够高的栅压， 以降低USB 开关的导通损耗。在过载情况下， 过流保护电路能将输出电流限制在0. 3 A。

　　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