保护USB的电源开关设计方案
中心议题：
解决方案：
- 电荷泵设计
- 过流保护电路设计
1 引言
通用串行总线（UniversalSerialBus）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，VIN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1A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（SelfBoost）电荷泵的电路原理图。图中，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。当为低电平时，MP1导通，为C1充电，V1电位升至电源电位，V2电位增加，MP2管导通。假设栅电容远大于电容C1,V2上的电荷全部转移到栅电容CGATE上。当为高电平时，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VIN。在的下个低电平时，V1电位升至电源电位，V2电位增加至2VIN,MP2管导通，VPUMP电位升至2VIN-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，1和2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1为低电平时，MP1导通，电位增加，此时，V3电位为零，MP4导通，V2上的电荷转移到栅电容CGATE上，VPUMP电位升高。当1为高电平时，MP2导通，为C2充电，V4电位上升至电源电位，V3电位随之上升，MP3导通，VPUMP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。
图3 改进后的电荷泵
4 过流保护电路设计
当出现过载和短路故障时，负载电流达到数安培，需要精确的限流电路为功率管和输入电源提供保护。对于MOS器件，只有工作在饱和区时的电流容易控制。限流就是通过反馈负载电压，调节电荷泵输出电压来实现的。图4是限流电路的原理图。
图4 限流电路原理图
N型功率管NHV的源与P型限流管MP6的栅相接，N型功率管NHV的栅与P型限流管MP6的源相接。从而达到控制功率管栅源压降的目的。
当负载电流超过1A时，电流限信号（VLIMIT）为高电平，MN7导通，栅电荷经MP6流向地，栅电压减小，功率管工作在饱和区。C1、C2为电荷泵电容值，在一个时钟周期T内，由电荷泵充入的栅电荷为：
当功率管栅压稳定时，电荷泵充入的栅电荷等于限流管放掉的栅电荷。限流管泄放电流为：
得功率管和限流管的电流关系：
式中，VTP和VTN分别是P型管和N型管阈值电压，M为N型功率管的并联数。
通过设置NHV和MP6宽长比、功率管的并联个数、电荷泵的时钟周期以及电荷泵的电容值，就可以确定功率管的电流。当负载恢复正常后，电流限信号（VLIMIT）为低电平，MN7截止，电荷泵正常工作，为功率管提供2倍于电源的栅驱动电压。这种过流保护电路通过MP6泄放功率管的栅电荷，易实现限流功能，适用于N型功率管的电源开关。
5 仿真结果与讨论
图5为负载正常情况下负载输出电压和功率管电流的仿真波形。电源电压为5V,C1、C2电容值为1pF,时钟周期为40s,NHV和MP6宽长比的比值为300,功率管的并联个数为1103。采用0.6m30VBCD工艺，在典型条件下，用HSPICE对整体电路仿真。由波形可以看出，在1ms内，负载输出电压逐渐上升，功率管电流没有过冲，启动时间为1.7ms。3ms后，功率管完全开启，为负载提供电源。
图5 启动时功率管电流和负载输出电压
表1为限流电路工作时功率管的平均栅电压和平均电流。图6为USB开关启动8ms后负载短路到恢复正常的仿真结果。USB开关在负载正常情况下启动，8ms后负载短路，负载电流过冲到3.1A。当过流保护电路工作后，过流保护电路将电流限制在0.3A,保护了USB端口。16ms后，负载恢复正常，电源开关重新启动。
表1 限流时功率管平均栅电压和平均电流
图6 USB开关在启动、限流和恢复正常过程中，电荷泵输出电压、负载输出电压和功率管电流的仿真波形
6 结论
本文设计了一种满足USB规范的电源开关。一种结构简单的自举电荷泵为N型功率管提供栅驱动电压，以降低开关的导通损耗。精确的限流电路针对过载和短路故障，对输入电源提供保护。仿真结果表明，在负载短路瞬间，限流电路能够有效地减小过冲电流，并能把电流限制在0.3A,达到保护USB端口的目的。
