带保护电路的usb电源开关电路的制作方法

文档序号:10860107
带保护电路的usb电源开关电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种带保护电路的USB电源开关电路,包括电荷泵电路、过流保护电路、电流检测采用电路,功率管NHV1的栅极与电荷泵电路连接,漏极与电源输入端Vin连接,源极通过电流检测采样电路与过流保护电路连接,过流保护电路通过反馈负载电压输出给电荷泵用以调节电荷泵电路的输出。本实用新型所述电路,有效降低了开关的导通损耗,提高效率,并且可以对输入电源提供保护,使得负载短路瞬间,保护电路可以有效地减小过冲电流,达到保护USB端口的目的。
【专利说明】
带保护电路的USB电源开关电路
技术领域
[0001] 本实用新型涉及USB电源开关电路技术领域,尤其涉及一种带保护电路的USB电源 开关电路。
【背景技术】
[0002] USB供电的接口设备中,USB电源开关采用自举电荷栗为N型功率管提供2倍于电源 的栅驱动电压,提高了电源效率并在负载出现异常时,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。
[0003] 如图1所示为一种自举型Self-BooST电荷栗的电路原理图。图中,Φ为时钟信号, 用于控制电荷栗工作。初始阶段,电容Cl和功率管栅电容CGATE上的电荷均为零。当Φ为低 电平时,功率管MP1导通,并为电容Cl充电,Vl点的电位升至电源电位,V 2点的电位增加,功 率管MP2管导通。假设栅电容远大于电容Cl,则V 2点上的电荷全部转移到栅电容CGATE 上。当Φ为高电平时,功率管MNl导通,并为电容Cl左极板放电,Vl点的电位下降至地电位, V2点的电位下降,功率管MP2管截止,功率管MN2管导通,给电容Cl右极板充电至VIN。在Φ的 下个低电平时,Vl点的电位升至电源电位,V2点的电位增加至2倍VIN电位,功率管MP2管导 通,VPUMP点的电位升至2倍VIN电位减去VT,VT为MP2的阈值电压。由加之USB具有即插即用 的特点,因此,如果不加保护,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。
[0004] 此外,自举电荷栗不需要为功率管MN2和功率管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,效率不高。 【实用新型内容】
[0005] 为此,本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种带保护电路的USB电源开关电 路,以降低开关的导通损耗,提高效率,并且可以对输入电源提供保护,使得负载短路瞬间, 保护电路可以有效地减小过冲电流,达到保护USB端口的目的。
[0006] 于是,本实用新型提供了一种带保护电路的USB电源开关电路,包括电荷栗电路、 过流保护电路、电流检测采用电路,功率管NHVl的栅极与电荷栗电路连接,漏极与电源输入 端Vin连接,源极通过电流检测采样电路与过流保护电路连接,过流保护电路通过反馈负载 电压输出给电荷栗用以调节电荷栗电路的输出Vpump,电容Cout的一端与功率管NHV1的源 极连接,另一端接地,电阻Rout与电容Cout并联,过流保护电路的输入端与USB接口的输出 端Vout连接,该USB接口的输出端Vout还与功率管NHVl的源极连接。
[0007] 其中,所述电荷栗电路包括:互补无交叠时钟Φ1分别与功率管MPl栅极和功率管 MNl的栅极连接,功率管MPl的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MPl的源极与功率管MNl的 漏极连接,功率管MNl的源极接地,功率管MN4的源极与功率管MP4的漏极连接,功率管MM的 漏极连接至电源输入端Vin,功率管MN4的栅极与功率管MP4的栅极连接,功率管MP4的源极 与功率管MP3的源极连接,功率管MP3的漏极与功率管MP4的栅极连接,功率管MP3的栅极与 功率管MN5的栅极连接,功率管MN5的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MN5的源极与功率 管MN3的漏极连接,功率管丽3的栅极与自身的漏极连接,功率管MN3的源极与功率管MP3的 漏极连接,功率管MP2的栅极和功率管丽2的栅极均与互补无交叠时钟Φ 2连接,功率管MP2 的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MP2的源极与功率管MN2的漏极连接,功率管MN2的源 极接地,在功率管MP2的源极和功率管MN3的源极之间连接有电容C2,在功率管MM的源极和 功率管MPl的源极之间连接有电容Cl。
[0008] 所述功率管MPl,MP2,MP3,MP4为P型功率管,功率管MNl,MN2,MN3,MN4,MN5为N型功 率管。
[0009] 其中,所述过流保护电路包括:功率管MP6和功率管MN7,功率管MP6的栅极与USB接 口的输出端Vout连接,漏极与电源栗电路连接,源极与功率管MV7的漏极连接,功率管MV7栅 极与电流检测采用电路连接,功率管M7的源极接地。
[0010] 所述功率管MP6为P型限流功率管,功率管MN7为N型功率管。
[0011] 电容Cout为Iyf,电阻Rout为 10 Ω。
[0012] 所述功率管NHVl为N型功率管。
[0013] 本实用新型所述带保护电路的USB电源开关电路,通过在USB电源开关电路中增加 过流保护电路、以及改进电荷栗电路为自举电荷栗的方式,为N型功率管提供了删驱动电 压,有效降低了开关的导通损耗,提高了效率。过流保护电路针对过载和短路故障,对输入 电源提供保护,并能在负载短路瞬间,过流保护电路能够有效地减小过冲电流,并能把电 流限制在0. 3 A,达到保护USB端口的目的。
【附图说明】
[0014] 图1为现有电路中自举型Self-BooST电荷栗的电路原理图;
[0015] 图2为本实用新型实施例所述带保护电路的USB电源开关电路图;
[0016]图3为图2所不电荷栗电路图;
[0017] 图4为图2所述过流保护电路图;
[0018] 图5为负载正常情况下负载输出电压和功率管电流的仿真波形图;
[0019] 图6为USB开关启动8 ms后负载短路到恢复正常的仿真结果波形图。
【具体实施方式】
[0020] 下面,结合附图对本实用新型进行详细描述。
[0021] 如图2所示,本实施例提供了一种带保护电路的USB电源开关电路,其特征在于,包 括电荷栗电路、过流保护电路、电流检测采用电路,功率管NHV1的栅极与电荷栗电路连接, 漏极与电源输入端Vin连接,源极通过电流检测采样电路与过流保护电路连接,过流保护电 路通过反馈负载电压输出给电荷栗用以调节电荷栗电路的输出Vpump,电容Cout的一端与 功率管NHVl的源极连接,另一端接地,电阻Rout与电容Cout并联,过流保护电路的输入端与 USB接口的输出端Vout连接,该USB接口的输出端Vout还与功率管NHVl的源极连接。
[0022]其中,所述电荷栗电路包括:互补无交叠时钟Φ1分别与功率管MPl栅极和功率管 MNl的栅极连接,功率管MPl的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MPl的源极与功率管MNl的 漏极连接,功率管MNl的源极接地,功率管MN4的源极与功率管MP4的漏极连接,功率管MM的 漏极连接至电源输入端Vin,功率管MN4的栅极与功率管MP4的栅极连接,功率管MP4的源极 与功率管MP3的源极连接,功率管MP3的漏极与功率管MP4的栅极连接,功率管MP3的栅极与 功率管MN5的栅极连接,功率管MN5的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MN5的源极与功率 管MN3的漏极连接,功率管丽3的栅极与自身的漏极连接,功率管MN3的源极与功率管MP3的 漏极连接,功率管MP2的栅极和功率管丽2的栅极均与互补无交叠时钟Φ 2连接,功率管MP2 的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MP2的源极与功率管MN2的漏极连接,功率管MN2的源 极接地,在功率管MP2的源极和功率管MN3的源极之间连接有电容C2,在功率管MM的源极和 功率管MPl的源极之间连接有电容Cl。
[0023] 功率管MPl,MP2,MP3,MP4为P型功率管,功率管MNl,MN2,MN3,MN4,MN5为N型功率 管。
[0024] 其中,所述过流保护电路包括:功率管MP6和功率管MN7,功率管MP6的栅极与USB接 口的输出端Vout连接,漏极与电源栗电路连接,源极与功率管MV7的漏极连接,功率管MV7栅 极与电流检测采用电路连接,功率管M7的源极接地。
[0025] 所述功率管MP6为P型限流功率管,功率管MN7为N型功率管。
[0026] 电容Cout为Iyf,电阻Rout为 10 Ω。
[0027] 所述功率管NHVl为N型功率管。
[0028] 具体的,在图3中,Φ1和Φ2为互补无交叠时钟。由功率管1^2、]\^5、]\033、]\0 32和 电容C2组成次电荷栗,功率管1^1,1^1,1财,1^4和电容(:1组成主电荷栗,次电荷栗为功率 管丽4和MP4提供栅压,以保证其完全关断和开启。当Φ1为低电平时,MPl导通,电位增 加,此时,V3点的电位为零,功率管MP4导通,V 2点上的电荷转移到功率管MP3栅电容C GAT E上,Vpump点的电位升高。当Φ 1为高电平时,功率管MP2导通,为电容C2充电,V4点的电位上 升至电源电位,V3点的电位随之上升,功率管MP3导通,V pump点的电位继续升高。功率管 丽3相当于二极管,起单向导电的作用。在Vpump的电压升高到Vin - VT,VT为MP2的阈值电 压。之后,功率管丽3隔离V3点到电源的通路,保证V3点的电荷由功率管MP3全部充入MP3功 率管的栅电容。这样,电容Cl和电容C2相互给MP3功率管的栅电容充电,若干个时钟周期后, 电荷栗输出电压接近两倍电源电压。
[0029] 当出现过载和短路故障时,负载电流达到数安培,需要精确的限流电路为功率管 和输入电源提供保护。对于MOS器件,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,调节电荷栗输出电压来实现的。如图4所示过流保护电路原理图。
[0030] 图4中,N型功率管NHV的源与P型限流管MP6的栅相接,N型功率管NHV的栅与P型 限流管MP6的源相接。从而达到控制功率管栅源压降的目的。当负载电流超过IA时,电流限 信号Vlimt为高电平,功率管MN7导通,栅电荷经功率管MP6流向地,功率管NHV栅电压减小, 功率管NHV工作在饱和区。电容Cl和电容C2为电荷栗电容值,在一个时钟周期T内,由电荷栗 充入的栅电荷为:Q=Vin X Cl+Vin X C2
[0031] 当功率管栅压稳定时,电荷栗充入的栅电荷等于限流管放掉的栅电荷。限流管泄 放电流为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的电流关系:
[0033]
[0034] 式中,VTP和VTN分别是P型管和N型管阈值电压,M为N型功率管的并联数。 [0035]通过设置功率管NHV和功率管MP6的宽长比、功率管的并联个数、电荷栗的时钟周 期以及电荷栗的电容值,就可以确定功率管的电流。当负载恢复正常后,电流限信号Vlimt 为低电平,功率管MN7截止,电荷栗正常工作,为功率管提供2倍于电源的栅驱动电压。这种 过流保护电路通过功率管MP6泄放功率管的栅电荷,易实现限流功能,适用于N型功率管 的电源开关。
[0036]图5为负载正常情况下负载输出电压和功率管电流的仿真波形。电源电压为5 V, 电容C1、C2电容值为I pF,时钟周期为40 s,功率管NHV和MP6的宽长比的比值为300,功率 管的并联个数为1。在典型条件下,用HSPICE仿真软件对整体电路仿真。由波形可以看出, 在I ms内,负载输出电压逐渐上升,功率管电流没有电流过冲波形,启动时间为I. 7 ms。 3ms后,功率管完全开启,为负载提供电源。
[0037]图6为USB开关启动8 ms后负载短路到恢复正常的仿真结果。USB开关在负载正常 情况下启动,8 ms后负载短路,负载电流过冲到3. 1A。当过流保护电路工作后,过流保护电 路将电流限制在〇. 3 A,保护了USB端口。16 ms后,负载恢复正常,电源开关重新启动。
[0038] 表1为限流电路工作时功率管的平均栅电压和平均电流。
[0039]
[0040] 图6为USB开关在启动、限流和恢复正常过程中,电荷栗输出电压、负载输出电压和 功率管电流的仿真波形。
[0041] 本实施例所述带保护电路的USB电源开关电路满足了 USB电源开关设计的规范,采 取一种结构简单的自举电荷栗为N型功率管提供栅驱动电压,以降低开关的导通损耗,提 高了效率。精确的限流电路针对过载和短路故障,对输入电源提供保护,并能在负载短路瞬 间,限流电路能够有效地减小过冲电流,并能把电流限制在〇. 3 A,达到保护USB端口的目 的。
[0042]综上所述,本实用新型所述带保护电路的USB电源开关电路,通过在USB电源开关 电路中增加过流保护电路、以及改进电荷栗电路为自举电荷栗的方式,为N型功率管提供了 删驱动电压,有效降低了开关的导通损耗,提高了效率。过流保护电路针对过载和短路故 障,对输入电源提供保护,并能在负载短路瞬间,过流保护电路能够有效地减小过冲电流, 并能把电流限制在〇. 3 A,达到保护USB端口的目的。
[0043]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本 实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种带保护电路的USB电源开关电路,其特征在于,包括电荷栗电路、过流保护电路、 电流检测采用电路,功率管NHVl的栅极与电荷栗电路连接,漏极与电源输入端Vin连接,源 极通过电流检测采样电路与过流保护电路连接,过流保护电路通过反馈负载电压输出给电 荷栗用以调节电荷栗电路的输出Vpump,电容Cout的一端与功率管NHVl的源极连接,另一端 接地,电阻Rout与电容Cout并联,过流保护电路的输入端与USB接口的输出端Vout连接,该 USB接口的输出端Vout还与功率管NHVl的源极连接。2. 根据权利要求1所述的USB电源开关电路,其特征在于,所述电荷栗电路包括:互补无 交叠时钟Φ1分别与功率管MPl栅极和功率管MNl的栅极连接,功率管MPl的漏极连接至电源 输入端Vin,功率管MPl的源极与功率管MNl的漏极连接,功率管MNl的源极接地,功率管MM 的源极与功率管MP4的漏极连接,功率管MN4的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MN4的栅 极与功率管MP4的栅极连接,功率管MP4的源极与功率管MP3的源极连接,功率管MP3的漏极 与功率管MP4的栅极连接,功率管MP3的栅极与功率管MN5的栅极连接,功率管丽5的漏极连 接至电源输入端Vin,功率管MN5的源极与功率管MN3的漏极连接,功率管MN3的栅极与自身 的漏极连接,功率管MN3的源极与功率管MP3的漏极连接,功率管MP2的栅极和功率管MN2的 栅极均与互补无交叠时钟Φ 2连接,功率管MP2的漏极连接至电源输入端Vin,功率管MP2的 源极与功率管MN2的漏极连接,功率管MN2的源极接地,在功率管MP2的源极和功率管MN3的 源极之间连接有电容C2,在功率管MM的源极和功率管MPl的源极之间连接有电容Cl。3. 根据权利要求2所述的USB电源开关电路,其特征在于,功率管MPl,MP2,MP3,MP4为P 型功率管,功率管丽I,丽2,丽3,MM,丽5为N型功率管。4. 根据权利要求1所述的USB电源开关电路,其特征在于,所述过流保护电路包括:功率 管MP6和功率管MN7,功率管MP6的栅极与USB接口的输出端Vout连接,漏极与电源栗电路连 接,源极与功率管MV7的漏极连接,功率管MV7栅极与电流检测采用电路连接,功率管M7的源 极接地。5. 根据权利要求4所述的USB电源开关电路,其特征在于,所述功率管MP6为P型限流功 率管,功率管MN7为N型功率管。6. 根据权利要求1所述的USB电源开关电路,其特征在于,电容Cout为Iyf,电阻Rout为 10Ω 07. 根据权利要求1所述的USB电源开关电路,其特征在于,所述功率管NHVl为N型功率 管。
【文档编号】H02M3/07GK205544930SQ201620083617
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】杨建 , 叶金生
【申请人】深圳韩倍达电子科技有限公司
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