一种USB电源开关的过流保护电路设计

管媛倩，官洪运

（东华大学，上海 201620）

1 引言

通用串行总线（Universal Serial Bus）[1]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。因此USB电源开关不仅需要有电源切换功能，还需要有限流能力，即过流保护功能。

USB电源开关用于USB接口和内部电源的连接，对USB接口接入的设备提供工作电流，并在接入的负载发生过流现象时提供过流保护，使得USB接口能够安全可靠地工作。但现实中常会发生烧片现象，经实验发现导线中的寄生电感会使开关产生过压，甚至被损坏。因此本文设计了一种USB电源开关的过流保护电路，在USB电源开关发生过流时提供保护作用。

2 USB电源开关的基本结构

作为USB系统的电源管理单元，电源开关必须能随时检测负载的连接状况，并为负载提供一定的功率，在系统供电不足或工作温度过高的条件下能采取相应的保护措施，并输出标志信号通知USB Controller以控制整个USB系统的正常运作。完整的USB电源开关电路包括[2]：Band Gap Reference（提供PTAT电流源和基准源）、UVLO（欠压保护模块）、过流保护模块、Thermal Sense（过温保护模块）、FLAG（异常标志单元）、Gate Control（电源开关栅控制单元）和时钟信号。图1所示为完整的USB电源开关等效框架图。

图1 USB电源开关等效框架图

3 过流保护设计

限流模块[3]是电源管理类芯片中保护电路的重要组成部分。它可以保护和防止芯片内部功率器件免受大电流的冲击，加强电路带负载的能力。把限流模块集成在芯片内部，免除了额外封装和多个被动组件的需要，提高了成本效益。本文设计的限流系统框架如图2所示。

图2 限流系统的框架图

当出现过载和短路故障时，负载电流达到数安培，需要精确地限流电路为功率管和输入电源提供保护。对于MOS器件[4]，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（Charge-Pump）输出电压来实现的。在负载正常的情况下，由电荷泵产生足够高的栅驱动电压[5]，使功率管工作在深线性区，以降低从输入电源（VIN）到负载电压（VOUT）的导通损耗。当功率管电流高于限流时，Current Sense输出高电平给过流保护电路（Over Current Limit），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，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，Current Sense输出低电平，电荷泵正常工作。图3是过流短路保护电路。

图3 过流短路保护电路

以上设计的过流短路保护电路包括两部分，一部分是过流保护（Over Current Protection），另一部分是短路保护（Short Protection）。VLC是比较器的参考电压，是电源开关限流的参考电位。调节M141、M142管子的大小，使得参考电位VLC与电源开关限流时的VOUT值相等。当发生过载时，VOUT电位降低，低于比较器的参考电位（VLC），M132的栅电位由高变低，M134的栅电位由低变高，DOCP电位由高变低，M137开启，电源开关的栅电位拉低，跟随电源开关的漏电位，电源开关M151进入饱和区，输出电流被限制在最大工作电流，保护电源开关（Power Switch），避免烧坏。当发生短路时，VOUT由接近VCC变为0，M148的漏端电位降低，PMOS M147的栅电位降低，使得M147开启，M146也跟随开启。以二极管形式连接的M149栅电位为电阻R10的压降加上一个NMOS的阈值电压。当VOUT电位降到GND附近时，与M149共栅的M145开启，因此迅速将Power管的栅电位拉低到GND附近，电源开关被关断，实现电源与负载的隔离。

过流保护电路实现了功率开关管的过流保护，但现实中仍会发生烧片现象。图4是样品评估过流保护时发生了烧片，过流保护电路需要进行优化。

图4 样品评估过流保护时发生烧片

4 过流保护优化设计

上一节提出了一种电源开关的过流保护电路设计，在发生短路过流时，电源开关会被关断。但是由于电源开关和输出负载之间由导线连接，存在着电感效应[6]，电源开关关断之后，输出电感LOUT的电流会对输出电容COUT进行放电，使得输出电压VOUT出现电压负脉冲。LOUT越大，COUT越小，都会使得VOUT的电压负脉冲变得更加严重，一旦超出输出功率管MOUT的安全工作区域（SOA），就会导致电源开关的损毁。图5是短路过流时输出电压出现负脉冲。

图5 短路过流保护输出电压出现负脉冲

针对这个缺点，本文提出了优化过流保护电路的方法，在电源开关发生过流、输出电压VOUT出现电压负脉冲时，一个电压比较器检测到VOUT电压小于0后，输出一个高电平让MOSFET开启，使得输出电压VOUT被电压钳位到GND，这可以有效降低VOUT的电压负脉冲程度，使得电源开关得到更可靠的保护。一个电压比较器的输入失调电压用于在设备正常启动时，0 V的输出电压不会引起电压比较器的误动作，如图6。同理也可以采用一个Diode对输出电感上面的电流ILOUT提供一个续流路径，避免电流ILOUT从内部电路器件寄生的PN junction流出，以起到保护电路的作用，如图7。

图6 优化过流保护电路方法一

图7 优化过流保护电路方法二

5 实验结果与讨论

图8是过流保护采用图6的优化方法，仿真条件是电源开关输出电压前30 ms不接负载，30 ms后，输出电压从5 V扫描到3 V，当VOUT低于限流参考电压VLC时，比较器输出DOCP为低，过流保护启动，输出电流被限制在Ilimit。功率管M151的栅电位跟随源电位，进入饱和区工作，实现输出功率管的过流保护。

图8 过流保护仿真

图9 短路保护仿真

图9是短路保护采用图6的优化方法，仿真条件是，当功率管栅电位建立后，将功率管输出端（源端）与地端接。可以看出，过流保护先启动将电流限住，然后短路保护启动将功率管的栅电位拉低，输出电流降低，实现功率管的短路保护。以上仿真结果显示，增加续流路径，输出电压在发生过流保护时没有出现大的负脉冲。样品在评估时也没有发生烧片现象。图10是优化后的样品评估测试，没有发生烧片。

图10 优化后的样品评估过流保护没有烧片

6 结论

本文提出了一种USB电源开关的过流保护电路，尤其是在USB电源开关过流时的保护电路。过流保护可以防止芯片内部功率器件受大电流的冲击，加强电路带负载的能力。寄生的电感使输出端短路时输出负脉冲，导致功率管过压或损坏，通过增加续流路径使输出端电压被嵌位到地，优化过流保护电路，更好地保护功率管。实验达到了预期的效果，可用于工程量产。

[1] 罗翱，周泽坤，张波. 一种USB电源开关的设计[J]. 微电子学，2007，37（4）：592-594.

[2] 来新泉，元薇. 高精度USB电源管理器的设计[J]. 电子元件与材料，2007，26（12）：65-68.

[3] 李云胜. 电源的截止型过流保护电路设计[J]. 实验科学与技术，2010，8（1）：1-3.

[4] Paul R Gray, Paul J Hurst, Stephen H Lewis, Robert G Meyer. Analysis and design of analog integrated circuits[M].北京：高等教育出版社 ，2005.36-42.

[5] PARK S, JAHNST M. A self-boost charge pump topology for a gate Electronics[C]. IEEE Tans Power Electronics,2005, 2(2)∶ 300-307.

[6] Steve Mannas. USB开关及其他过流保护器件的设计考虑[J]. 电子设计应用，2009，6：70-72.