过流保护电路设计 - 低导通损耗的USB电源开关的设计

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：

　　

 

　　

　　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( V LIMIT ) 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5 V, C1、C2 电容值为1 pF, 时钟周期为40 s, NHV 和MP6 宽长比的比值为300, 功率管的并联个数为1 103。采用0. 6 m30 V BCD 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1 ms 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. 7 ms。3 ms 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8 ms 后负载短路到恢复正常的仿真结果。U SB 开关在负载正常情况下启动， 8 ms 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. 3 A, 保护了U SB 端口。16 ms 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. 3 A, 达到保护USB 端口的目的。