帶保護電路的usb電源開關(guān)電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種帶保護電路的USB電源開關(guān)電路，包括電荷泵電路、過流保護電路、電流檢測采用電路，功率管NHV1的柵極與電荷泵電路連接，漏極與電源輸入端Vin連接，源極通過電流檢測采樣電路與過流保護電路連接，過流保護電路通過反饋負載電壓輸出給電荷泵用以調(diào)節(jié)電荷泵電路的輸出。本實用新型所述電路，有效降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗，提高效率，并且可以對輸入電源提供保護，使得負載短路瞬間，保護電路可以有效地減小過沖電流，達到保護USB端口的目的。
【專利說明】
帶保護電路的USB電源開關(guān)電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及USB電源開關(guān)電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶保護電路的USB電源 開關(guān)電路。
【背景技術(shù)】
[0002] USB供電的接口設(shè)備中，USB電源開關(guān)采用自舉電荷栗為N型功率管提供2倍于電源 的柵驅(qū)動電壓，提高了電源效率并在負載出現(xiàn)異常時，過流保護電路能迅速限制功率管電 流，以避免熱插拔對電路造成損壞。
[0003] 如圖1所示為一種自舉型Self-BooST電荷栗的電路原理圖。圖中，Φ為時鐘信號， 用于控制電荷栗工作。初始階段，電容Cl和功率管柵電容CGATE上的電荷均為零。當(dāng)Φ為低 電平時，功率管MP1導(dǎo)通，并為電容Cl充電，Vl點的電位升至電源電位，V 2點的電位增加，功 率管MP2管導(dǎo)通。假設(shè)柵電容遠大于電容Cl，則V 2點上的電荷全部轉(zhuǎn)移到柵電容CGATE 上。當(dāng)Φ為高電平時，功率管MNl導(dǎo)通，并為電容Cl左極板放電，Vl點的電位下降至地電位， V2點的電位下降，功率管MP2管截止，功率管MN2管導(dǎo)通，給電容Cl右極板充電至VIN。在Φ的 下個低電平時，Vl點的電位升至電源電位，V2點的電位增加至2倍VIN電位，功率管MP2管導(dǎo) 通，VPUMP點的電位升至2倍VIN電位減去VT，VT為MP2的閾值電壓。由加之USB具有即插即用 的特點，因此，如果不加保護，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。
[0004] 此外，自舉電荷栗不需要為功率管MN2和功率管MP2提供柵驅(qū)動電壓，控制簡單，但 輸出電壓會有一個閾值損失，效率不高。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 為此，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是:提供一種帶保護電路的USB電源開關(guān)電 路，以降低開關(guān)的導(dǎo)通損耗，提高效率，并且可以對輸入電源提供保護，使得負載短路瞬間， 保護電路可以有效地減小過沖電流，達到保護USB端口的目的。
[0006] 于是，本實用新型提供了一種帶保護電路的USB電源開關(guān)電路，包括電荷栗電路、 過流保護電路、電流檢測采用電路，功率管NHVl的柵極與電荷栗電路連接，漏極與電源輸入 端Vin連接，源極通過電流檢測采樣電路與過流保護電路連接，過流保護電路通過反饋負載 電壓輸出給電荷栗用以調(diào)節(jié)電荷栗電路的輸出Vpump，電容Cout的一端與功率管NHV1的源 極連接，另一端接地，電阻Rout與電容Cout并聯(lián)，過流保護電路的輸入端與USB接口的輸出 端Vout連接，該USB接口的輸出端Vout還與功率管NHVl的源極連接。
[0007] 其中，所述電荷栗電路包括:互補無交疊時鐘Φ1分別與功率管MPl柵極和功率管 MNl的柵極連接，功率管MPl的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MPl的源極與功率管MNl的 漏極連接，功率管MNl的源極接地，功率管MN4的源極與功率管MP4的漏極連接，功率管MM的 漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MN4的柵極與功率管MP4的柵極連接，功率管MP4的源極 與功率管MP3的源極連接，功率管MP3的漏極與功率管MP4的柵極連接，功率管MP3的柵極與 功率管MN5的柵極連接，功率管MN5的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MN5的源極與功率 管MN3的漏極連接，功率管麗3的柵極與自身的漏極連接，功率管MN3的源極與功率管MP3的 漏極連接，功率管MP2的柵極和功率管麗2的柵極均與互補無交疊時鐘Φ 2連接，功率管MP2 的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MP2的源極與功率管MN2的漏極連接，功率管MN2的源 極接地，在功率管MP2的源極和功率管MN3的源極之間連接有電容C2，在功率管MM的源極和 功率管MPl的源極之間連接有電容Cl。
[0008] 所述功率管MPl，MP2，MP3，MP4為P型功率管，功率管MNl，MN2，MN3，MN4，MN5為N型功 率管。
[0009] 其中，所述過流保護電路包括:功率管MP6和功率管MN7,功率管MP6的柵極與USB接 口的輸出端Vout連接，漏極與電源栗電路連接，源極與功率管MV7的漏極連接，功率管MV7柵 極與電流檢測采用電路連接，功率管M7的源極接地。
[0010] 所述功率管MP6為P型限流功率管，功率管MN7為N型功率管。
[0011] 電容Cout為Iyf，電阻Rout為 10 Ω。
[0012] 所述功率管NHVl為N型功率管。
[0013] 本實用新型所述帶保護電路的USB電源開關(guān)電路，通過在USB電源開關(guān)電路中增加 過流保護電路、以及改進電荷栗電路為自舉電荷栗的方式，為N型功率管提供了刪驅(qū)動電 壓，有效降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗，提高了效率。過流保護電路針對過載和短路故障，對輸入 電源提供保護，并能在負載短路瞬間，過流保護電路能夠有效地減小過沖電流，并能把電 流限制在0. 3 A，達到保護USB端口的目的。
【附圖說明】
[0014] 圖1為現(xiàn)有電路中自舉型Self-BooST電荷栗的電路原理圖；
[0015] 圖2為本實用新型實施例所述帶保護電路的USB電源開關(guān)電路圖；
[0016]圖3為圖2所不電荷栗電路圖；
[0017] 圖4為圖2所述過流保護電路圖；
[0018] 圖5為負載正常情況下負載輸出電壓和功率管電流的仿真波形圖；
[0019] 圖6為USB開關(guān)啟動8 ms后負載短路到恢復(fù)正常的仿真結(jié)果波形圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面，結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細描述。
[0021] 如圖2所示，本實施例提供了一種帶保護電路的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，包 括電荷栗電路、過流保護電路、電流檢測采用電路，功率管NHV1的柵極與電荷栗電路連接， 漏極與電源輸入端Vin連接，源極通過電流檢測采樣電路與過流保護電路連接，過流保護電 路通過反饋負載電壓輸出給電荷栗用以調(diào)節(jié)電荷栗電路的輸出Vpump，電容Cout的一端與 功率管NHVl的源極連接，另一端接地，電阻Rout與電容Cout并聯(lián)，過流保護電路的輸入端與 USB接口的輸出端Vout連接，該USB接口的輸出端Vout還與功率管NHVl的源極連接。
[0022]其中，所述電荷栗電路包括:互補無交疊時鐘Φ1分別與功率管MPl柵極和功率管 MNl的柵極連接，功率管MPl的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MPl的源極與功率管MNl的 漏極連接，功率管MNl的源極接地，功率管MN4的源極與功率管MP4的漏極連接，功率管MM的 漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MN4的柵極與功率管MP4的柵極連接，功率管MP4的源極 與功率管MP3的源極連接，功率管MP3的漏極與功率管MP4的柵極連接，功率管MP3的柵極與 功率管MN5的柵極連接，功率管MN5的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MN5的源極與功率 管MN3的漏極連接，功率管麗3的柵極與自身的漏極連接，功率管MN3的源極與功率管MP3的 漏極連接，功率管MP2的柵極和功率管麗2的柵極均與互補無交疊時鐘Φ 2連接，功率管MP2 的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MP2的源極與功率管MN2的漏極連接，功率管MN2的源 極接地，在功率管MP2的源極和功率管MN3的源極之間連接有電容C2，在功率管MM的源極和 功率管MPl的源極之間連接有電容Cl。
[0023] 功率管MPl，MP2，MP3，MP4為P型功率管，功率管MNl，MN2，MN3，MN4，MN5為N型功率 管。
[0024] 其中，所述過流保護電路包括:功率管MP6和功率管MN7,功率管MP6的柵極與USB接 口的輸出端Vout連接，漏極與電源栗電路連接，源極與功率管MV7的漏極連接，功率管MV7柵 極與電流檢測采用電路連接，功率管M7的源極接地。
[0025] 所述功率管MP6為P型限流功率管，功率管MN7為N型功率管。
[0026] 電容Cout為Iyf，電阻Rout為 10 Ω。
[0027] 所述功率管NHVl為N型功率管。
[0028] 具體的，在圖3中，Φ1和Φ2為互補無交疊時鐘。由功率管1^2、]\^5、]\033、]\0 32和 電容C2組成次電荷栗，功率管1^1，1^1，1財，1^4和電容(：1組成主電荷栗，次電荷栗為功率 管麗4和MP4提供柵壓，以保證其完全關(guān)斷和開啟。當(dāng)Φ1為低電平時，MPl導(dǎo)通，電位增 加，此時，V3點的電位為零，功率管MP4導(dǎo)通，V 2點上的電荷轉(zhuǎn)移到功率管MP3柵電容C GAT E上，Vpump點的電位升高。當(dāng)Φ 1為高電平時，功率管MP2導(dǎo)通，為電容C2充電，V4點的電位上 升至電源電位，V3點的電位隨之上升，功率管MP3導(dǎo)通，V pump點的電位繼續(xù)升高。功率管 麗3相當(dāng)于二極管，起單向?qū)щ姷淖饔?。在Vpump的電壓升高到Vin - VT，VT為MP2的閾值電 壓。之后，功率管麗3隔離V3點到電源的通路，保證V3點的電荷由功率管MP3全部充入MP3功 率管的柵電容。這樣，電容Cl和電容C2相互給MP3功率管的柵電容充電，若干個時鐘周期后， 電荷栗輸出電壓接近兩倍電源電壓。
[0029] 當(dāng)出現(xiàn)過載和短路故障時，負載電流達到數(shù)安培，需要精確的限流電路為功率管 和輸入電源提供保護。對于MOS器件，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)電荷栗輸出電壓來實現(xiàn)的。如圖4所示過流保護電路原理圖。
[0030] 圖4中，N型功率管NHV的源與P型限流管MP6的柵相接，N型功率管NHV的柵與P型 限流管MP6的源相接。從而達到控制功率管柵源壓降的目的。當(dāng)負載電流超過IA時，電流限 信號Vlimt為高電平，功率管MN7導(dǎo)通，柵電荷經(jīng)功率管MP6流向地，功率管NHV柵電壓減小， 功率管NHV工作在飽和區(qū)。電容Cl和電容C2為電荷栗電容值，在一個時鐘周期T內(nèi)，由電荷栗 充入的柵電荷為:Q=Vin X Cl+Vin X C2
[0031] 當(dāng)功率管柵壓穩(wěn)定時，電荷栗充入的柵電荷等于限流管放掉的柵電荷。限流管泄 放電流為L=Q/T=(Vin X Cl+Vin X C2)/T
[0032] 由Vgs(NHV)=Vsg(MP6)得功率管NHV和限流管MP6的電流關(guān)系：
[0033]
[0034] 式中，VTP和VTN分別是P型管和N型管閾值電壓，M為N型功率管的并聯(lián)數(shù)。 [0035]通過設(shè)置功率管NHV和功率管MP6的寬長比、功率管的并聯(lián)個數(shù)、電荷栗的時鐘周 期以及電荷栗的電容值，就可以確定功率管的電流。當(dāng)負載恢復(fù)正常后，電流限信號Vlimt 為低電平，功率管MN7截止，電荷栗正常工作，為功率管提供2倍于電源的柵驅(qū)動電壓。這種 過流保護電路通過功率管MP6泄放功率管的柵電荷，易實現(xiàn)限流功能，適用于N型功率管 的電源開關(guān)。
[0036]圖5為負載正常情況下負載輸出電壓和功率管電流的仿真波形。電源電壓為5 V， 電容C1、C2電容值為I pF，時鐘周期為40 s，功率管NHV和MP6的寬長比的比值為300,功率 管的并聯(lián)個數(shù)為1。在典型條件下，用HSPICE仿真軟件對整體電路仿真。由波形可以看出， 在I ms內(nèi)，負載輸出電壓逐漸上升，功率管電流沒有電流過沖波形，啟動時間為I. 7 ms。 3ms后，功率管完全開啟，為負載提供電源。
[0037]圖6為USB開關(guān)啟動8 ms后負載短路到恢復(fù)正常的仿真結(jié)果。USB開關(guān)在負載正常 情況下啟動，8 ms后負載短路，負載電流過沖到3. 1A。當(dāng)過流保護電路工作后，過流保護電 路將電流限制在〇. 3 A，保護了USB端口。16 ms后，負載恢復(fù)正常，電源開關(guān)重新啟動。
[0038] 表1為限流電路工作時功率管的平均柵電壓和平均電流。
[0039]
[0040] 圖6為USB開關(guān)在啟動、限流和恢復(fù)正常過程中，電荷栗輸出電壓、負載輸出電壓和 功率管電流的仿真波形。
[0041] 本實施例所述帶保護電路的USB電源開關(guān)電路滿足了 USB電源開關(guān)設(shè)計的規(guī)范，采 取一種結(jié)構(gòu)簡單的自舉電荷栗為N型功率管提供柵驅(qū)動電壓，以降低開關(guān)的導(dǎo)通損耗，提 高了效率。精確的限流電路針對過載和短路故障，對輸入電源提供保護，并能在負載短路瞬 間，限流電路能夠有效地減小過沖電流，并能把電流限制在〇. 3 A，達到保護USB端口的目 的。
[0042]綜上所述，本實用新型所述帶保護電路的USB電源開關(guān)電路，通過在USB電源開關(guān) 電路中增加過流保護電路、以及改進電荷栗電路為自舉電荷栗的方式，為N型功率管提供了 刪驅(qū)動電壓，有效降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗，提高了效率。過流保護電路針對過載和短路故 障，對輸入電源提供保護，并能在負載短路瞬間，過流保護電路能夠有效地減小過沖電流， 并能把電流限制在〇. 3 A，達到保護USB端口的目的。
[0043]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型 的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種帶保護電路的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，包括電荷栗電路、過流保護電路、 電流檢測采用電路，功率管NHVl的柵極與電荷栗電路連接，漏極與電源輸入端Vin連接，源 極通過電流檢測采樣電路與過流保護電路連接，過流保護電路通過反饋負載電壓輸出給電 荷栗用以調(diào)節(jié)電荷栗電路的輸出Vpump，電容Cout的一端與功率管NHVl的源極連接，另一端 接地，電阻Rout與電容Cout并聯(lián)，過流保護電路的輸入端與USB接口的輸出端Vout連接，該 USB接口的輸出端Vout還與功率管NHVl的源極連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，所述電荷栗電路包括:互補無 交疊時鐘Φ1分別與功率管MPl柵極和功率管MNl的柵極連接，功率管MPl的漏極連接至電源 輸入端Vin，功率管MPl的源極與功率管MNl的漏極連接，功率管MNl的源極接地，功率管MM 的源極與功率管MP4的漏極連接，功率管MN4的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MN4的柵 極與功率管MP4的柵極連接，功率管MP4的源極與功率管MP3的源極連接，功率管MP3的漏極 與功率管MP4的柵極連接，功率管MP3的柵極與功率管MN5的柵極連接，功率管麗5的漏極連 接至電源輸入端Vin，功率管MN5的源極與功率管MN3的漏極連接，功率管MN3的柵極與自身 的漏極連接，功率管MN3的源極與功率管MP3的漏極連接，功率管MP2的柵極和功率管MN2的 柵極均與互補無交疊時鐘Φ 2連接，功率管MP2的漏極連接至電源輸入端Vin，功率管MP2的 源極與功率管MN2的漏極連接，功率管MN2的源極接地，在功率管MP2的源極和功率管MN3的 源極之間連接有電容C2，在功率管MM的源極和功率管MPl的源極之間連接有電容Cl。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，功率管MPl，MP2，MP3，MP4為P 型功率管，功率管麗I，麗2，麗3，MM，麗5為N型功率管。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，所述過流保護電路包括:功率 管MP6和功率管MN7,功率管MP6的柵極與USB接口的輸出端Vout連接，漏極與電源栗電路連 接，源極與功率管MV7的漏極連接，功率管MV7柵極與電流檢測采用電路連接，功率管M7的源 極接地。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，所述功率管MP6為P型限流功 率管，功率管MN7為N型功率管。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，電容Cout為Iyf，電阻Rout為 10Ω 07. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的USB電源開關(guān)電路，其特征在于，所述功率管NHVl為N型功率 管。
【文檔編號】H02M3/07GK205544930SQ201620083617
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月28日
【發(fā)明人】楊建 , 葉金生
【申請人】深圳韓倍達電子科技有限公司