一种可编程USB限流开关设计

王 沦

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引 言

目前USB技术的应用十分广泛。支持热插拔是USB系统的主要技术特点之一。进行热插拔操作时，因发生瞬间短路或连接了受损设备而产生了较大电流时，必须对USB集线器和主机装置进行有效保护。因此，在USB电源管理方面，电源保护性开关需要具备电流检测以及多种其他保护功能[1]。

基于此，提出一种可编程USB限流开关，当USB后续接口取电而导致整体电流超过预设电流时，可用以减小过大的电流，将输出电流值维持在限定范围内，并满足自供电USB集线器输出所需的100mA至500mA连续电流。本电路具有响应速度快、导通电阻小、故障标志输出、使用寿命长等优点，可作为理想的USB过流保护元件来使用[2]。

2 电路结构和基本原理

USB电源管理器在高功率模式下最大输出电流为500mA，在低功率模式下输出电流最大值为100mA。本电路除了可以满足USB总线对负载电流的严格控制外，也可同时实现100mA至500mA电流阈值点可编程设定，精度可达到10%。芯片由输出P型功率管、电流采样管、可复制放大器、电流限制放大器、过温保护电路、欠压保护电路、故障指示输出端（)和逻辑控制电路等部分组成。输出功率管与电流采样管尺寸相同，比例为1080：1，电路内部结构框图如图1所示。

图1 电路结构框图

该芯片的功能是通过可复制放大器、电流限制放大器及其控制的电流采样管构成的环路来实现的。根据芯片的加载情况，芯片环路需要进行相应的调节。按照加载情况，电路的工作状态可分为轻载、负载没有达到设定阈值、负载为设定值附近、负载超过设定值以及短路这五种工作情况。在这五种工作情况下，环路工作在相应的调节状态，还需要保证负载动态变化时环路调节的稳定。

通过图1中的RSET电阻可以设定限流阈值点。当限流电路起作用时，可复制放大器和Mp3管构成的负反馈可以保证A点与B点电压相等，还可保证Mp2与Mp1上的电流互成精确镜像，此时，流过Mp2和RSET电阻的电流(ISET)为流经Mp1电流的1/1080。流过Mp1的电流为设定的电流阈值点(ILIMIT)，推导公式如下：

式中的1.24V由基准电压电路产生，通过式(2)可以得知，通过调节RSET阻值来设定该电路的电流阈值点ILIMIT，即可实现可编程电流限制。

当出现过流或短路时，A点电压低于B点电压，此时可复制放大器工作于非线性区，由电流限制放大器、电流采样管Mp2和Mp3构成的负反馈环路保证SET端电压为1.24V，此时流过采样管Mp2的电流为1.24V/ISET，通过镜像将维持预设阈值电流输出。

当负载电流远小于设定的电流阈值点时，VSET值小于1.24V，此时电流限制放大器工作于非线性区，输出为低电平，将Mp1管完全打开，使其工作于线性区，同时降低其导通电阻，不进行限流控制。

电路正常工作时，作为高边电流限制器，可复制放大器的两端电压接近或等于输入电源电压VIN，传统的五管放大器输入共模电压范围无法达到电源电压附近或者超出电源电压[3]，为了提高电路匹配性，降低工艺匹配带来的放大器系统失调，可采用共基极作为放大器输入级的折叠式放大器结构[4]，如图2所示。

图2 可复制放大器电路图

共基极结构放大器的输入级不使用VIN直接偏置，因而可以避免输入共模电压受到电源电压的控制，当A，B两端电压接近甚至高于电源电压时电路仍然可以正常工作。当环路建立时，A点电压与B点电压相等，N2为输入级提供偏置电流，输入级静态偏置点约为VBE与N2管的过驱动电压之和，实现了转移高输入共模电压的目的；N3与N4将差分信号进一步放大，并将差分信号转换为单端信号由VOUT端输出。

从图2中可以看出，C点电压值为：

上式中VA为A端电压，IIN为N1和N2产生的偏置电流，为一固定电流；C点电压随着A端电压变化而产生变化，如下式：

式(4)中VCM为输入到A和B端口的输入共模电平，电路的最高共模电平由2IINR4+VCEO_Q0+IINRIN、2IINR5+VCEO_Q0+IINRIN和IINR4+VDS_n2+VBE_Q0+IINRIN的最小值决定。所选用的流片工艺为华虹0.35μmBCD工艺，其共模电压值可远远超过电源工作电压。该放大器差分输入级的Q1和Q2的跨导为：

式中VTP为PNP管的热电势，将RIN对输入信号的影响考虑在内，输入级的跨导Gm可表示为：

通过式(5)和式(6)可以看出当C点电压变化时，由于输入偏置电流没有变化，输入跨导可以保持不变，从而可以保证放大器增益不受共模电压变化的影响[5]。电流限制放大器如图3所示。

图3 电流限制放大器电路图

图中，输入级差分器件为Q3和Q4，当负载电流达到设定限流点时，环路建立稳定，I1=I2，此时VSET端为低温度系数基准电压[6]：

当出现过流时，VSET电压受流过RSET的电流的控制，随着采样电流上升VSET电压也升高，此时I1＞I2，通过输出电流采样管进行反馈控制，将VSET维持在基准电压，此时流过输出电流采样管的电流为：

不考虑沟道调制效应，输出功率管的输出电流为：

上式中K为输出功率管与采样管的比例系数[7]。

为保证器件在正常工作条件下的低导通电阻性能，输出功率管工作于线性区时的导通电阻需要通过合理设置宽长比来实现。设定导通电阻典型值为70mΩ左右，计算公式如下所示：

另外，在USB热插拔过程中，许多USB都呈现出大电容特性，会吸纳很大的电流，其大小有时会超过规范限定的极限值，这将导致器件在极短的时间内处于限流工作状态，如果这一故障被报告给控制器，就会引起扰乱性的跳脱动作。增加一个故障标志发送延迟，如图4所示，可防止这些时间极短的事件触发故障标志发送[8]。

图4 芯片典型应用电路图

3 系统仿真及测试结果

所设计的可编程电流限制开关在NEC 0.35μm BCD工艺下仿真并进行流片、测试。实际芯片的显微镜照片如图5所示。

图5 芯片的显微镜照片

当发生过流时，功率管及采样管的栅极电压均为高电平，此时错误指示输出端输出低电平，电路只有电流限制放大器工作于放大区，由电流限制放大器、采样管以及可复制放大器控制的调节管构成环路。针对环路的增益以及相位裕度进行仿真，仿真结果如图6所示。

图6 环路增益及相位曲线

通过环路增益及相位裕度仿真得出放大器的增益变化范围为59dB至84dB，相位裕度为83Deg至86Deg，可以满足电路的性能要求。

当电路处于限流状态时，电流限制放大器的基准电压仿真情况如图7所示。

图7 基准电压仿真结果

基准电压的仿真结果数值表示如表1。

表1 仿真结果数据

过基准电压仿真可以发现基准电压在全corner仿真情况下，绝对值由1.221V变化到1.240V，在典型情况下基准电压为1.232V，可以满足限流器的精度要求。经流片后测试，芯片功能及参数均满足了设计要求，达到了预期目标。

4 结束语

本研究围绕高边电流检测放大器的应用，提出一款可应用于USB系统中的可编程电流开关。开关电路采用NEC 0.35μm BCD工艺进行设计并实际流片。通过流片后的实验与仿真表明，可复制放大器在高共模范围内仍然可以保证正常工作，限流器精度达到了10%，符合设计的预期，使其成为一款理想的USB过流保护元件，具有良好的推广价值和应用前景。