帶保護電路的usb電源開關電路的制作方法
【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節電荷泵電路的輸出。本實用新型所述電路，有效降低了開關的導通損耗，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電源開關電路
技術領域
[0001] 本實用新型涉及USB電源開關電路技術領域，尤其涉及一種帶保護電路的USB電源 開關電路。
【背景技術】
[0002] USB供電的接口設備中，USB電源開關采用自舉電荷栗為N型功率管提供2倍于電源 的柵驅動電壓，提高了電源效率并在負載出現異常時，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Φ為低 電平時，功率管MP1導通，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管導通。假設柵電容遠大于電容Cl，則V 2點上的電荷全部轉移到柵電容CGATE 上。當Φ為高電平時，功率管MNl導通，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 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，在負載出現異常的瞬間，電源開關會流過數安培的電流，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。 【實用新型內容】
[0005] 為此，本實用新型所要解決的技術問題是:提供一種帶保護電路的USB電源開關電 路，以降低開關的導通損耗，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節電荷栗電路的輸出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，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電源開關電路，通過在USB電源開關電路中增加 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動電 壓，有效降低了開關的導通損耗，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開關啟動8 ms后負載短路到恢復正常的仿真結果波形圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面，結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節電荷栗電路的輸出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，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，以保證其完全關斷和開啟。當Φ1為低電平時，MPl導通，電位增 加，此時，V3點的電位為零，功率管MP4導通，V 2點上的電荷轉移到功率管MP3柵電容C GAT E上，Vpump點的電位升高。當Φ 1為高電平時，功率管MP2導通，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導通，V pump點的電位繼續升高。功率管 麗3相當于二極管，起單向導電的作用。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] 當出現過載和短路故障時，負載電流達到數安培，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，只有工作在飽和區時的電流容易控制。限流就是通過 反饋負載電壓，調節電荷栗輸出電壓來實現的。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。當負載電流超過IA時，電流限 信號Vlimt為高電平，功率管MN7導通，柵電荷經功率管MP6流向地，功率管NHV柵電壓減小， 功率管NHV工作在飽和區。電容Cl和電容C2為電荷栗電容值，在一個時鐘周期T內，由電荷栗 充入的柵電荷為:Q=Vin X Cl+Vin X C2
[0031] 當功率管柵壓穩定時，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型功率管的并聯數。 [0035]通過設置功率管NHV和功率管MP6的寬長比、功率管的并聯個數、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。當負載恢復正常后，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，易實現限流功能，適用于N型功率管 的電源開關。
[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 管的并聯個數為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，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開關啟動8 ms后負載短路到恢復正常的仿真結果。USB開關在負載正常 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，負載恢復正常，電源開關重新啟動。
[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開關在啟動、限流和恢復正常過程中，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電源開關電路滿足了 USB電源開關設計的規范，采 取一種結構簡單的自舉電荷栗為N型功率管提供柵驅動電壓，以降低開關的導通損耗，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電源開關電路，通過在USB電源開關 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 刪驅動電壓，有效降低了開關的導通損耗，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，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種帶保護電路的USB電源開關電路，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 荷栗用以調節電荷栗電路的輸出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，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. 根據權利要求1所述的USB電源開關電路，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. 根據權利要求2所述的USB電源開關電路，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. 根據權利要求1所述的USB電源開關電路，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. 根據權利要求4所述的USB電源開關電路，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. 根據權利要求1所述的USB電源開關電路，其特征在于，電容Cout為Iyf，電阻Rout為 10Ω 07. 根據權利要求1所述的USB電源開關電路，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
【發明人】楊建 , 葉金生
【申請人】深圳韓倍達電子科技有限公司