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保护USB的电源开关设计方案
来源:本站整理  作者:佚名  2011-10-27 15:24:41



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。

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