一種USB電源開關(guān)的過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

管媛倩，官洪運(yùn)

（東華大學(xué)，上海 201620）

1 引言

通用串行總線（Universal Serial Bus）[1]使PC機(jī)與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速，隨著計(jì)算機(jī)以及與USB相關(guān)便攜式設(shè)備的發(fā)展，USB獲得更廣泛的應(yīng)用。由于USB具有即插即用的特點(diǎn)，在負(fù)載出現(xiàn)異常的瞬間，電源開關(guān)會(huì)流過數(shù)安培的電流，從而對(duì)電路造成損壞。因此USB電源開關(guān)不僅需要有電源切換功能，還需要有限流能力，即過流保護(hù)功能。

USB電源開關(guān)用于USB接口和內(nèi)部電源的連接，對(duì)USB接口接入的設(shè)備提供工作電流，并在接入的負(fù)載發(fā)生過流現(xiàn)象時(shí)提供過流保護(hù)，使得USB接口能夠安全可靠地工作。但現(xiàn)實(shí)中常會(huì)發(fā)生燒片現(xiàn)象，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線中的寄生電感會(huì)使開關(guān)產(chǎn)生過壓，甚至被損壞。因此本文設(shè)計(jì)了一種USB電源開關(guān)的過流保護(hù)電路，在USB電源開關(guān)發(fā)生過流時(shí)提供保護(hù)作用。

2 USB電源開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)

作為USB系統(tǒng)的電源管理單元，電源開關(guān)必須能隨時(shí)檢測負(fù)載的連接狀況，并為負(fù)載提供一定的功率，在系統(tǒng)供電不足或工作溫度過高的條件下能采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并輸出標(biāo)志信號(hào)通知USB Controller以控制整個(gè)USB系統(tǒng)的正常運(yùn)作。完整的USB電源開關(guān)電路包括[2]：Band Gap Reference（提供PTAT電流源和基準(zhǔn)源）、UVLO（欠壓保護(hù)模塊）、過流保護(hù)模塊、Thermal Sense（過溫保護(hù)模塊）、FLAG（異常標(biāo)志單元）、Gate Control（電源開關(guān)柵控制單元）和時(shí)鐘信號(hào)。圖1所示為完整的USB電源開關(guān)等效框架圖。

圖1 USB電源開關(guān)等效框架圖

3 過流保護(hù)設(shè)計(jì)

限流模塊[3]是電源管理類芯片中保護(hù)電路的重要組成部分。它可以保護(hù)和防止芯片內(nèi)部功率器件免受大電流的沖擊，加強(qiáng)電路帶負(fù)載的能力。把限流模塊集成在芯片內(nèi)部，免除了額外封裝和多個(gè)被動(dòng)組件的需要，提高了成本效益。本文設(shè)計(jì)的限流系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 限流系統(tǒng)的框架圖

當(dāng)出現(xiàn)過載和短路故障時(shí)，負(fù)載電流達(dá)到數(shù)安培，需要精確地限流電路為功率管和輸入電源提供保護(hù)。對(duì)于MOS器件[4]，只有工作在飽和區(qū)時(shí)的電流容易控制。限流就是通過反饋負(fù)載電壓、調(diào)節(jié)電荷泵（Charge-Pump）輸出電壓來實(shí)現(xiàn)的。在負(fù)載正常的情況下，由電荷泵產(chǎn)生足夠高的柵驅(qū)動(dòng)電壓[5]，使功率管工作在深線性區(qū)，以降低從輸入電源（VIN）到負(fù)載電壓（VOUT）的導(dǎo)通損耗。當(dāng)功率管電流高于限流時(shí)，Current Sense輸出高電平給過流保護(hù)電路（Over Current Limit），過流保護(hù)電路通過反饋負(fù)載電壓給電荷泵，調(diào)節(jié)電荷泵輸出，從而使功率管的工作狀態(tài)由線性區(qū)變?yōu)轱柡蛥^(qū)，限制功率管電流，達(dá)到保護(hù)功率管的目的。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)正常后，Current Sense輸出低電平，電荷泵正常工作。圖3是過流短路保護(hù)電路。

圖3 過流短路保護(hù)電路

以上設(shè)計(jì)的過流短路保護(hù)電路包括兩部分，一部分是過流保護(hù)（Over Current Protection），另一部分是短路保護(hù)（Short Protection）。VLC是比較器的參考電壓，是電源開關(guān)限流的參考電位。調(diào)節(jié)M141、M142管子的大小，使得參考電位VLC與電源開關(guān)限流時(shí)的VOUT值相等。當(dāng)發(fā)生過載時(shí)，VOUT電位降低，低于比較器的參考電位（VLC），M132的柵電位由高變低，M134的柵電位由低變高，DOCP電位由高變低，M137開啟，電源開關(guān)的柵電位拉低，跟隨電源開關(guān)的漏電位，電源開關(guān)M151進(jìn)入飽和區(qū)，輸出電流被限制在最大工作電流，保護(hù)電源開關(guān)（Power Switch），避免燒壞。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，VOUT由接近VCC變?yōu)?，M148的漏端電位降低，PMOS M147的柵電位降低，使得M147開啟，M146也跟隨開啟。以二極管形式連接的M149柵電位為電阻R10的壓降加上一個(gè)NMOS的閾值電壓。當(dāng)VOUT電位降到GND附近時(shí)，與M149共柵的M145開啟，因此迅速將Power管的柵電位拉低到GND附近，電源開關(guān)被關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載的隔離。

過流保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了功率開關(guān)管的過流保護(hù)，但現(xiàn)實(shí)中仍會(huì)發(fā)生燒片現(xiàn)象。圖4是樣品評(píng)估過流保護(hù)時(shí)發(fā)生了燒片，過流保護(hù)電路需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 樣品評(píng)估過流保護(hù)時(shí)發(fā)生燒片

4 過流保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

上一節(jié)提出了一種電源開關(guān)的過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)，在發(fā)生短路過流時(shí)，電源開關(guān)會(huì)被關(guān)斷。但是由于電源開關(guān)和輸出負(fù)載之間由導(dǎo)線連接，存在著電感效應(yīng)[6]，電源開關(guān)關(guān)斷之后，輸出電感LOUT的電流會(huì)對(duì)輸出電容COUT進(jìn)行放電，使得輸出電壓VOUT出現(xiàn)電壓負(fù)脈沖。LOUT越大，COUT越小，都會(huì)使得VOUT的電壓負(fù)脈沖變得更加嚴(yán)重，一旦超出輸出功率管MOUT的安全工作區(qū)域（SOA），就會(huì)導(dǎo)致電源開關(guān)的損毀。圖5是短路過流時(shí)輸出電壓出現(xiàn)負(fù)脈沖。

圖5 短路過流保護(hù)輸出電壓出現(xiàn)負(fù)脈沖

針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，本文提出了優(yōu)化過流保護(hù)電路的方法，在電源開關(guān)發(fā)生過流、輸出電壓VOUT出現(xiàn)電壓負(fù)脈沖時(shí)，一個(gè)電壓比較器檢測到VOUT電壓小于0后，輸出一個(gè)高電平讓MOSFET開啟，使得輸出電壓VOUT被電壓鉗位到GND，這可以有效降低VOUT的電壓負(fù)脈沖程度，使得電源開關(guān)得到更可靠的保護(hù)。一個(gè)電壓比較器的輸入失調(diào)電壓用于在設(shè)備正常啟動(dòng)時(shí)，0 V的輸出電壓不會(huì)引起電壓比較器的誤動(dòng)作，如圖6。同理也可以采用一個(gè)Diode對(duì)輸出電感上面的電流ILOUT提供一個(gè)續(xù)流路徑，避免電流ILOUT從內(nèi)部電路器件寄生的PN junction流出，以起到保護(hù)電路的作用，如圖7。

圖6 優(yōu)化過流保護(hù)電路方法一

圖7 優(yōu)化過流保護(hù)電路方法二

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖8是過流保護(hù)采用圖6的優(yōu)化方法，仿真條件是電源開關(guān)輸出電壓前30 ms不接負(fù)載，30 ms后，輸出電壓從5 V掃描到3 V，當(dāng)VOUT低于限流參考電壓VLC時(shí)，比較器輸出DOCP為低，過流保護(hù)啟動(dòng)，輸出電流被限制在Ilimit。功率管M151的柵電位跟隨源電位，進(jìn)入飽和區(qū)工作，實(shí)現(xiàn)輸出功率管的過流保護(hù)。

圖8 過流保護(hù)仿真

圖9 短路保護(hù)仿真

圖9是短路保護(hù)采用圖6的優(yōu)化方法，仿真條件是，當(dāng)功率管柵電位建立后，將功率管輸出端（源端）與地端接?？梢钥闯?，過流保護(hù)先啟動(dòng)將電流限住，然后短路保護(hù)啟動(dòng)將功率管的柵電位拉低，輸出電流降低，實(shí)現(xiàn)功率管的短路保護(hù)。以上仿真結(jié)果顯示，增加續(xù)流路徑，輸出電壓在發(fā)生過流保護(hù)時(shí)沒有出現(xiàn)大的負(fù)脈沖。樣品在評(píng)估時(shí)也沒有發(fā)生燒片現(xiàn)象。圖10是優(yōu)化后的樣品評(píng)估測試，沒有發(fā)生燒片。

圖10 優(yōu)化后的樣品評(píng)估過流保護(hù)沒有燒片

6 結(jié)論

本文提出了一種USB電源開關(guān)的過流保護(hù)電路，尤其是在USB電源開關(guān)過流時(shí)的保護(hù)電路。過流保護(hù)可以防止芯片內(nèi)部功率器件受大電流的沖擊，加強(qiáng)電路帶負(fù)載的能力。寄生的電感使輸出端短路時(shí)輸出負(fù)脈沖，導(dǎo)致功率管過壓或損壞，通過增加續(xù)流路徑使輸出端電壓被嵌位到地，優(yōu)化過流保護(hù)電路，更好地保護(hù)功率管。實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果，可用于工程量產(chǎn)。

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