一種可編程USB限流開關(guān)設(shè)計

王 淪

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

目前USB技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛。支持熱插拔是USB系統(tǒng)的主要技術(shù)特點之一。進(jìn)行熱插拔操作時，因發(fā)生瞬間短路或連接了受損設(shè)備而產(chǎn)生了較大電流時，必須對USB集線器和主機(jī)裝置進(jìn)行有效保護(hù)。因此，在USB電源管理方面，電源保護(hù)性開關(guān)需要具備電流檢測以及多種其他保護(hù)功能[1]。

基于此，提出一種可編程USB限流開關(guān)，當(dāng)USB后續(xù)接口取電而導(dǎo)致整體電流超過預(yù)設(shè)電流時，可用以減小過大的電流，將輸出電流值維持在限定范圍內(nèi)，并滿足自供電USB集線器輸出所需的100mA至500mA連續(xù)電流。本電路具有響應(yīng)速度快、導(dǎo)通電阻小、故障標(biāo)志輸出、使用壽命長等優(yōu)點，可作為理想的USB過流保護(hù)元件來使用[2]。

2 電路結(jié)構(gòu)和基本原理

USB電源管理器在高功率模式下最大輸出電流為500mA，在低功率模式下輸出電流最大值為100mA。本電路除了可以滿足USB總線對負(fù)載電流的嚴(yán)格控制外，也可同時實現(xiàn)100mA至500mA電流閾值點可編程設(shè)定，精度可達(dá)到10%。芯片由輸出P型功率管、電流采樣管、可復(fù)制放大器、電流限制放大器、過溫保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、故障指示輸出端（)和邏輯控制電路等部分組成。輸出功率管與電流采樣管尺寸相同，比例為1080：1，電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電路結(jié)構(gòu)框圖

該芯片的功能是通過可復(fù)制放大器、電流限制放大器及其控制的電流采樣管構(gòu)成的環(huán)路來實現(xiàn)的。根據(jù)芯片的加載情況，芯片環(huán)路需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。按照加載情況，電路的工作狀態(tài)可分為輕載、負(fù)載沒有達(dá)到設(shè)定閾值、負(fù)載為設(shè)定值附近、負(fù)載超過設(shè)定值以及短路這五種工作情況。在這五種工作情況下，環(huán)路工作在相應(yīng)的調(diào)節(jié)狀態(tài)，還需要保證負(fù)載動態(tài)變化時環(huán)路調(diào)節(jié)的穩(wěn)定。

通過圖1中的RSET電阻可以設(shè)定限流閾值點。當(dāng)限流電路起作用時，可復(fù)制放大器和Mp3管構(gòu)成的負(fù)反饋可以保證A點與B點電壓相等，還可保證Mp2與Mp1上的電流互成精確鏡像，此時，流過Mp2和RSET電阻的電流(ISET)為流經(jīng)Mp1電流的1/1080。流過Mp1的電流為設(shè)定的電流閾值點(ILIMIT)，推導(dǎo)公式如下：

式中的1.24V由基準(zhǔn)電壓電路產(chǎn)生，通過式(2)可以得知，通過調(diào)節(jié)RSET阻值來設(shè)定該電路的電流閾值點ILIMIT，即可實現(xiàn)可編程電流限制。

當(dāng)出現(xiàn)過流或短路時，A點電壓低于B點電壓，此時可復(fù)制放大器工作于非線性區(qū)，由電流限制放大器、電流采樣管Mp2和Mp3構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路保證SET端電壓為1.24V，此時流過采樣管Mp2的電流為1.24V/ISET，通過鏡像將維持預(yù)設(shè)閾值電流輸出。

當(dāng)負(fù)載電流遠(yuǎn)小于設(shè)定的電流閾值點時，VSET值小于1.24V，此時電流限制放大器工作于非線性區(qū)，輸出為低電平，將Mp1管完全打開，使其工作于線性區(qū)，同時降低其導(dǎo)通電阻，不進(jìn)行限流控制。

電路正常工作時，作為高邊電流限制器，可復(fù)制放大器的兩端電壓接近或等于輸入電源電壓VIN，傳統(tǒng)的五管放大器輸入共模電壓范圍無法達(dá)到電源電壓附近或者超出電源電壓[3]，為了提高電路匹配性，降低工藝匹配帶來的放大器系統(tǒng)失調(diào)，可采用共基極作為放大器輸入級的折疊式放大器結(jié)構(gòu)[4]，如圖2所示。

圖2 可復(fù)制放大器電路圖

共基極結(jié)構(gòu)放大器的輸入級不使用VIN直接偏置，因而可以避免輸入共模電壓受到電源電壓的控制，當(dāng)A，B兩端電壓接近甚至高于電源電壓時電路仍然可以正常工作。當(dāng)環(huán)路建立時，A點電壓與B點電壓相等，N2為輸入級提供偏置電流，輸入級靜態(tài)偏置點約為VBE與N2管的過驅(qū)動電壓之和，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)移高輸入共模電壓的目的；N3與N4將差分信號進(jìn)一步放大，并將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號由VOUT端輸出。

從圖2中可以看出，C點電壓值為：

上式中VA為A端電壓，IIN為N1和N2產(chǎn)生的偏置電流，為一固定電流；C點電壓隨著A端電壓變化而產(chǎn)生變化，如下式：

式(4)中VCM為輸入到A和B端口的輸入共模電平，電路的最高共模電平由2IINR4+VCEO_Q0+IINRIN、2IINR5+VCEO_Q0+IINRIN和IINR4+VDS_n2+VBE_Q0+IINRIN的最小值決定。所選用的流片工藝為華虹0.35μmBCD工藝，其共模電壓值可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源工作電壓。該放大器差分輸入級的Q1和Q2的跨導(dǎo)為：

式中VTP為PNP管的熱電勢，將RIN對輸入信號的影響考慮在內(nèi)，輸入級的跨導(dǎo)Gm可表示為：

通過式(5)和式(6)可以看出當(dāng)C點電壓變化時，由于輸入偏置電流沒有變化，輸入跨導(dǎo)可以保持不變，從而可以保證放大器增益不受共模電壓變化的影響[5]。電流限制放大器如圖3所示。

圖3 電流限制放大器電路圖

圖中，輸入級差分器件為Q3和Q4，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到設(shè)定限流點時，環(huán)路建立穩(wěn)定，I1=I2，此時VSET端為低溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓[6]：

當(dāng)出現(xiàn)過流時，VSET電壓受流過RSET的電流的控制，隨著采樣電流上升VSET電壓也升高，此時I1＞I2，通過輸出電流采樣管進(jìn)行反饋控制，將VSET維持在基準(zhǔn)電壓，此時流過輸出電流采樣管的電流為：

不考慮溝道調(diào)制效應(yīng)，輸出功率管的輸出電流為：

上式中K為輸出功率管與采樣管的比例系數(shù)[7]。

為保證器件在正常工作條件下的低導(dǎo)通電阻性能，輸出功率管工作于線性區(qū)時的導(dǎo)通電阻需要通過合理設(shè)置寬長比來實現(xiàn)。設(shè)定導(dǎo)通電阻典型值為70mΩ左右，計算公式如下所示：

另外，在USB熱插拔過程中，許多USB都呈現(xiàn)出大電容特性，會吸納很大的電流，其大小有時會超過規(guī)范限定的極限值，這將導(dǎo)致器件在極短的時間內(nèi)處于限流工作狀態(tài)，如果這一故障被報告給控制器，就會引起擾亂性的跳脫動作。增加一個故障標(biāo)志發(fā)送延遲，如圖4所示，可防止這些時間極短的事件觸發(fā)故障標(biāo)志發(fā)送[8]。

圖4 芯片典型應(yīng)用電路圖

3 系統(tǒng)仿真及測試結(jié)果

所設(shè)計的可編程電流限制開關(guān)在NEC 0.35μm BCD工藝下仿真并進(jìn)行流片、測試。實際芯片的顯微鏡照片如圖5所示。

圖5 芯片的顯微鏡照片

當(dāng)發(fā)生過流時，功率管及采樣管的柵極電壓均為高電平，此時錯誤指示輸出端輸出低電平，電路只有電流限制放大器工作于放大區(qū)，由電流限制放大器、采樣管以及可復(fù)制放大器控制的調(diào)節(jié)管構(gòu)成環(huán)路。針對環(huán)路的增益以及相位裕度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 環(huán)路增益及相位曲線

通過環(huán)路增益及相位裕度仿真得出放大器的增益變化范圍為59dB至84dB，相位裕度為83Deg至86Deg，可以滿足電路的性能要求。

當(dāng)電路處于限流狀態(tài)時，電流限制放大器的基準(zhǔn)電壓仿真情況如圖7所示。

圖7 基準(zhǔn)電壓仿真結(jié)果

基準(zhǔn)電壓的仿真結(jié)果數(shù)值表示如表1。

表1 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

過基準(zhǔn)電壓仿真可以發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓在全corner仿真情況下，絕對值由1.221V變化到1.240V，在典型情況下基準(zhǔn)電壓為1.232V，可以滿足限流器的精度要求。經(jīng)流片后測試，芯片功能及參數(shù)均滿足了設(shè)計要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本研究圍繞高邊電流檢測放大器的應(yīng)用，提出一款可應(yīng)用于USB系統(tǒng)中的可編程電流開關(guān)。開關(guān)電路采用NEC 0.35μm BCD工藝進(jìn)行設(shè)計并實際流片。通過流片后的實驗與仿真表明，可復(fù)制放大器在高共模范圍內(nèi)仍然可以保證正常工作，限流器精度達(dá)到了10%，符合設(shè)計的預(yù)期，使其成為一款理想的USB過流保護(hù)元件，具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。