自举电荷泵式USB电源开关设计

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