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
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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。
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