管媛倩，官洪運

（東華大學，上海 201620）

1 引言

通用串行總線（Universal Serial Bus）[1]使PC機與外部設(shè)備的連接變得簡單而迅速，隨著計算機以及與USB相關(guān)便攜式設(shè)備的發(fā)展，USB獲得更廣泛的應用。由于USB具有即插即用的特點，在負載出現(xiàn)異常的瞬間，電源開關(guān)會流過數(shù)安培的電流，從而對電路造成損壞。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，即過流保護功能。

USB電源開關(guān)用于USB接口和內(nèi)部電源的連接，對USB接口接入的設(shè)備提供工作電流，并在接入的負載發(fā)生過流現(xiàn)象時提供過流保護，使得USB接口能夠安全可靠地工作。但現(xiàn)實中常會發(fā)生燒片現(xiàn)象，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)導線中的寄生電感會使開關(guān)產(chǎn)生過壓，甚至被損壞。因此本文設(shè)計了一種USB電源開關(guān)的過流保護電路，在USB電源開關(guān)發(fā)生過流時提供保護作用。

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)必須能隨時檢測負載的連接狀況，并為負載提供一定的功率，在系統(tǒng)供電不足或工作溫度過高的條件下能采取相應的保護措施，并輸出標志信號通知USB Controller以控制整個USB系統(tǒng)的正常運作。完整的USB電源開關(guān)電路包括[2]：Band Gap Reference（提供PTAT電流源和基準源）、UVLO（欠壓保護模塊）、過流保護模塊、Thermal Sense（過溫保護模塊）、FLAG（異常標志單元）、Gate Control（電源開關(guān)柵控制單元）和時鐘信號。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 過流保護設(shè)計

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

圖2 限流系統(tǒng)的框架圖

當出現(xiàn)過載和短路故障時，負載電流達到數(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。對于MOS器件[4]，只有工作在飽和區(qū)時的電流容易控制。限流就是通過反饋負載電壓、調(diào)節(jié)電荷泵（Charge-Pump）輸出電壓來實現(xiàn)的。在負載正常的情況下，由電荷泵產(chǎn)生足夠高的柵驅(qū)動電壓[5]，使功率管工作在深線性區(qū)，以降低從輸入電源（VIN）到負載電壓（VOUT）的導通損耗。當功率管電流高于限流時，Current Sense輸出高電平給過流保護電路（Over Current Limit），過流保護電路通過反饋負載電壓給電荷泵，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，達到保護功率管的目的。當負載恢復正常后，Current Sense輸出低電平，電荷泵正常工作。圖3是過流短路保護電路。

圖3 過流短路保護電路

以上設(shè)計的過流短路保護電路包括兩部分，一部分是過流保護（Over Current Protection），另一部分是短路保護（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)限流時的VOUT值相等。當發(fā)生過載時，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進入飽和區(qū)，輸出電流被限制在最大工作電流，保護電源開關(guān)（Power Switch），避免燒壞。當發(fā)生短路時，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NMOS的閾值電壓。當VOUT電位降到GND附近時，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，實現(xiàn)電源與負載的隔離。

過流保護電路實現(xiàn)了功率開關(guān)管的過流保護，但現(xiàn)實中仍會發(fā)生燒片現(xiàn)象。圖4是樣品評估過流保護時發(fā)生了燒片，過流保護電路需要進行優(yōu)化。

圖4 樣品評估過流保護時發(fā)生燒片

4 過流保護優(yōu)化設(shè)計

上一節(jié)提出了一種電源開關(guān)的過流保護電路設(shè)計，在發(fā)生短路過流時，電源開關(guān)會被關(guān)斷。但是由于電源開關(guān)和輸出負載之間由導線連接，存在著電感效應[6]，電源開關(guān)關(guān)斷之后，輸出電感LOUT的電流會對輸出電容COUT進行放電，使得輸出電壓VOUT出現(xiàn)電壓負脈沖。LOUT越大，COUT越小，都會使得VOUT的電壓負脈沖變得更加嚴重，一旦超出輸出功率管MOUT的安全工作區(qū)域（SOA），就會導致電源開關(guān)的損毀。圖5是短路過流時輸出電壓出現(xiàn)負脈沖。

圖5 短路過流保護輸出電壓出現(xiàn)負脈沖

針對這個缺點，本文提出了優(yōu)化過流保護電路的方法，在電源開關(guān)發(fā)生過流、輸出電壓VOUT出現(xiàn)電壓負脈沖時，一個電壓比較器檢測到VOUT電壓小于0后，輸出一個高電平讓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的電壓負脈沖程度，使得電源開關(guān)得到更可靠的保護。一個電壓比較器的輸入失調(diào)電壓用于在設(shè)備正常啟動時，0 V的輸出電壓不會引起電壓比較器的誤動作，如圖6。同理也可以采用一個Diode對輸出電感上面的電流ILOUT提供一個續(xù)流路徑，避免電流ILOUT從內(nèi)部電路器件寄生的PN junction流出，以起到保護電路的作用，如圖7。

圖6 優(yōu)化過流保護電路方法一

圖7 優(yōu)化過流保護電路方法二

5 實驗結(jié)果與討論

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

圖8 過流保護仿真

圖9 短路保護仿真

圖9是短路保護采用圖6的優(yōu)化方法，仿真條件是，當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?，過流保護先啟動將電流限住，然后短路保護啟動將功率管的柵電位拉低，輸出電流降低，實現(xiàn)功率管的短路保護。以上仿真結(jié)果顯示，增加續(xù)流路徑，輸出電壓在發(fā)生過流保護時沒有出現(xiàn)大的負脈沖。樣品在評估時也沒有發(fā)生燒片現(xiàn)象。圖10是優(yōu)化后的樣品評估測試，沒有發(fā)生燒片。

圖10 優(yōu)化后的樣品評估過流保護沒有燒片

6 結(jié)論

本文提出了一種USB電源開關(guān)的過流保護電路，尤其是在USB電源開關(guān)過流時的保護電路。過流保護可以防止芯片內(nèi)部功率器件受大電流的沖擊，加強電路帶負載的能力。寄生的電感使輸出端短路時輸出負脈沖，導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)化過流保護電路，更好地保護功率管。實驗達到了預期的效果，可用于工程量產(chǎn)。

[1] 羅翱，周澤坤，張波. 一種USB電源開關(guān)的設(shè)計[J]. 微電子學，2007，37（4）：592-594.

[2] 來新泉，元薇. 高精度USB電源管理器的設(shè)計[J]. 電子元件與材料，2007，26（12）：65-68.

[3] 李云勝. 電源的截止型過流保護電路設(shè)計[J]. 實驗科學與技術(shù)，2010，8（1）：1-3.

[4] Paul R Gray, Paul J Hurst, Stephen H Lewis, Robert G Meyer. Analysis and design of analog integrated circuits[M].北京：高等教育出版社 ，2005.36-42.

[5] PARK S, JAHNST M. A self-boost charge pump topology for a gate Electronics[C]. IEEE Tans Power Electronics,2005, 2(2)∶ 300-307.

[6] Steve Mannas. USB開關(guān)及其他過流保護器件的設(shè)計考慮[J]. 電子設(shè)計應用，2009，6：70-72.