一种可编程USB限流开关的制作方法

本发明涉及usb电源管理领域，具体地说是一种可编程usb限流开关。

背景技术：

随着计算机与各种电子设备的高速发展与应用扩展，usb作为一种连接并传输数据的工具，促使了usb技术的应用十分广泛，因此usb的各种性能也得到越来越多的关注。由于usb即插即用的性能，具有热插拔功能是usb系统的主要技术特点之一，进行热插拔时发生瞬间短路或连接了受损设备而产生的大电流时，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和多种保护功能。

近年来，有许多公司提出了在两个限流值中选择一个值，这样在不同的设备上应用时就会有很大的限制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种可编程usb限流开关，当电路系统出现问题时，可及时释放保护信号，关闭系统，提高电路系统的稳定性。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种可编程usb限流开关，包括：

可复制放大器的正向输入端连接到输出功率管mp1的漏极，负向输入端连接到输出电流采样管mp2的漏极和电流采样管mp3的源极，电流采样管mp3的源极连接可复制放大器的输出端，通过电流采样管mp3的栅极回到可复制放大器输出端，构成一个回路；

电流采样管mp3的漏极连接到电流限制放大器的正向输入端，电流限制放大器输出分别连接到输出功率管mp1和输出电流采样管mp2的栅极，构成另一个回路；

电流限制放大器的输出端接入逻辑或门的一个输入端，逻辑或门的输出端连接开漏输出管mn3的栅极，对开漏输出管mn3进行控制。

所述可复制放大器包括：

采用共基极作为放大器输入级的折叠式放大器结构，第一nmos管n1的源极连接第二电阻r1到地，利用电流镜结构使第二nmos管n2，第三nmos管n3、第四nmos管n4复制第一nmos管n1中的电流，第二nmos管n2的源极连接第二电阻r2到地，第二nmos管n2的漏极连接到第零三极管q0，第零三极管q0、第一三极管q1、第二三极管q2分别连接一个电阻rin，利用电流镜结构使第一三极管q1、第二三极管q2复制第零三极管q0中的电流，第一三极管q1、第二三极管q2分别与第三nmos管n3、第四nmos管n4连接组成折叠式结构，第三nmos管n3、第四nmos管n4分别连接第三电阻r3、第四电阻r4到地，第一pmos管p1和第二pmos管p2组成电流镜结构，第二pmos管p2和第四nmos管n4的漏极相连，作为输出。

所述电流限制放大器包括：

采用共源极作为放大器输入级的折叠式放大器结构，第三三级管q3和第四三级管q4、第三pmos管p3和第四pmos管p4分别组成电流镜结构，第四pmos管p4连接第五电阻r5、第六电阻r6作为输出，输出连接到第五三级管q5、第六三级管q6的基极，第五三级管q5、第六三级管q6的个数比为8∶1，第五三级管q5的基极同时通过电阻rset到地；第五三级管q5的发射极通过第九电阻r9、第十电阻r10到地，第六三级管q6通过第十电阻r10到地，第五三级管q5、第六三级管q6分别通过第七电阻r7、第八电阻r8并且与第八pmos管p8、第七pmos管p7组成折叠式结构，第五pmos管p5和第六pmos管p6为两路提供电流，第五pmos管p5和第六pmos管p6的漏极分别连接第八pmos管p8、第七pmos管p7的源极，第八pmos管p8、第七pmos管p7分别与第六nmos管n6和第五nmos管n5的漏极连接，第七pmos管p7和第五nmos管n5相连的漏极作为输出，用于控制所述的输出功率管mp1和输出电流采样管mp2。

所述输出功率管mp1与电流采样管mp2为尺寸相同的场效应管，且个数比例为1080∶1。

还包括过温保护电路，与控制电路和与门连接。

还包括欠压保护电路，与控制电路和与门连接。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明响应速度快，导通电阻小，故障标志输出并且使用寿命长。

附图说明

图1是电路结构框图；

图2是可复制放大器电路图；

图3是电流限制放大器电路图；

图4是芯片典型应用电路图；

图5是基准电压仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

为使本发明的上述目的、特征和有点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可能直接在另一个元件上，或也可以存在居中的元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的属于“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的标书只是为了说明的目的，并不表示唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示是电路结构框图。

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。

可复制放大器的正向输入端连接到输出功率管mp1的漏极，负向输入端连接到输出电流采样管mp2的漏极和电流采样管mp3的源极，电流采样管mp3的源极连接可复制放大器的输出端，通过电流采样管mp3的栅极回到可复制放大器输出端，构成一个回路；电流采样管mp3的漏极连接到电流限制放大器的正向输入端，电流限制放大器输出分别连接到输出功率管mp1和输出电流采样管mp2的栅极，构成另一个回路；电流限制放大器的输出端接入逻辑或门的一个输入端，逻辑或门的输出端连接开漏输出管mn3的栅极，对开漏输出管mn3进行控制。

过温保护电路、欠压保护电路和逻辑控制电路可用常规电路实现，输出功率管mp1与电流采样管mp2尺寸相同，比例为1080∶1。可复制放大器的正向输入端连接到mp1的漏极，负向输入端连接到mp2的漏极和mp3的源极，并通过mp3的栅极回到可复制放大器输出端，构成一个回路，通过mp3的漏极连接到电流限制放大器的正向输入端，电流限制放大器输出分别连接到mp1和mp2的栅极，构成另一个回路。其输出也连接或门的一个输入从而控制开漏输出管mn3。

rset电阻可设定限流阈值点，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使a、b两点电压相等，并保证mp2与mp1上的电流精确镜像，此时，流过mp2和rset电阻的电流(iset)为mp1电流的1/1080，流过mp1的电流为设定的电流阈值点(ilimit)，推导公式如下所示：

iset＝ilimit/1080(1)

rset＝1.24v/iset＝1.34×10³/ilimt(2)

公式(2)中的1.24v为基准电压电路产生，通过(2)式得知，可通过调节rset阻值来设定该电路的电流阈值点ilimit，实现可编程电流限制。通过rset电阻可设定限流阈值点，当限流电路起作用时，可复制放大器和mos管构成的负反馈可以保证可复制放大器两个输入端电压相等。

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在非线性区，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管的电流为1.24v/iset，通过镜像将维持设定的阈值电流输出。

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，使其工作在线性区，同时降低其导通电阻，此时不进行限流控制。

当usb后续接口取电而导致整体电流超过预设电流时，可以减小过大的电流并将输出电流维持在设定的电流值，并且可满足自供电的usb集线器输出的100ma至500ma的连续电流。本电路除了可以满足usb总线对负载电流的严格控制外，同时可实现100ma至500ma电流阈值点可编程设定，精度可达到10％。

该芯片功能可以通过可复制放大器、电流限制放大器及其控制的电流采样管构成的环路实现。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，环路工作在不同的调节状态，并需要满足负载动态变化时，环路调节的稳定。

该芯片功能的实现通过可复制放大器，电流限制放大器及其控制的电流采样管构成的环路实现。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。

如图2所示为可复制放大器电路图。

采用共基极作为放大器输入级的折叠式放大器结构，第一nmos管n1的源极连接第二电阻r1到地，利用电流镜结构使第二nmos管n2，第三nmos管n3、第四nmos管n4复制第一nmos管n1中的电流，第二nmos管n2的源极连接第二电阻r2到地，第二nmos管n2的漏极连接到第零三极管q0，第零三极管q0、第一三极管q1、第二三极管q2分别连接一个电阻rin，利用电流镜结构使第一三极管q1、第二三极管q2复制第零三极管q0中的电流，第一三极管q1、第二三极管q2分别与第三nmos管n3、第四nmos管n4连接组成折叠式结构，第三nmos管n3、第四nmos管n4分别连接第三电阻r3、第四电阻r4到地，第一pmos管p1和第二pmos管p2组成电流镜结构，第二pmos管p2和第四nmos管n4的漏极相连，作为输出。

电路正常工作时，作为高边电流限制器，采用共基极作为放大器输入级的折叠式放大器结构，可复制放大器的两端电压接近或等于输入电源电压vin。共基极结构放大器的输入级不用vin直接偏置，因而能够摆脱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。c点电压值为：

vc＝vcm-iinrin-vbe_q0(3)

上式中vcm为输入a和b端口的输入共模电平，iin为n1和n2产生的偏置电流，为一固定电流，c点电压随着共模电压的变化而产生变化，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，本发明流片工艺为华虹0.35umbcd工艺，其共模电压值可远远超过电源工作电压。该放大器的差分输入级的q1和q2的跨导为

gm＝ibias/vtp(4)

上式中vtp为pnp管的热电势，将rin对输入信号的影响加入，输入级的跨导gm可表示为：

gm＝1/(rin+1/gmp)(5)

通过公式(4)和(5)可以看出当c点电压变化时，由于输入偏置电流没有变化，输入跨导在共模范围内保持不变，进而可以保证放大器增益不受共模电压变化的影响。

如图3所示为电流限制放大器电路图。

采用共源极作为放大器输入级的折叠式放大器结构，第三三级管q3和第四三级管q4、第三pmos管p3和第四pmos管p4分别组成电流镜结构，第四pmos管p4连接第五电阻r5、第六电阻r6作为输出，输出连接到第五三级管q5、第六三级管q6的基极，第五三级管q5、第六三级管q6的个数比为8∶1，第五三级管q5的基极同时通过电阻rset到地；第五三级管q5的发射极通过第九电阻r9、第十电阻r10到地，第六三级管q6通过第十电阻r10到地，第五三级管q5、第六三级管q6分别通过第七电阻r7、第八电阻r8并且与第八pmos管p8、第七pmos管p7组成折叠式结构，第五pmos管p5和第六pmos管p6为两路提供电流，第五pmos管p5和第六pmos管p6的漏极分别连接第八pmos管p8、第七pmos管p7的源极，第八pmos管p8、第七pmos管p7分别与第六nmos管n6和第五nmos管n5的漏极连接，第七pmos管p7和第五nmos管n5相连的漏极作为输出，用于控制所述的输出功率管mp1和输出电流采样管mp2。

电流限制放大器输入级差分器件为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：

δvbe＝vtln8(7)

当出现过流时，vset电压受流过rset电流控制，随着采样电流的上升vset电压上升，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比例。

另外，为了保证器件在正常工作时的低导通电阻性能，输出功率管工作于线性区时的导通电阻需要通过合理的设置宽长比来实现，设定其导通电阻典型值为70mω左右，计算公式如公式(10)所示：

如图4所示为芯片典型应用电路图。

在usb热插拔过程中，许多usb功能都呈现出大电容特性，会吸纳很大的电流，其大小会超过规范规定的极限值，这将导致器件在极短的时间内处于限流工作状态，如果将这一故障报告给控制器，就会引起扰乱性的跳脱动作。增加一个故障标志发送延迟，就可以防止这些时间极短的事件触发故障标志的发送。

本发明的可编程电流限制开关在nec0.35μmbcd工艺下仿真并进行流片测试。

本发明的增益变化范围为59db至84db，相位裕度为83deg至86deg，可以满足电路的性能要求。

如图5所示为基准电压仿真结果示意图。

通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，电路流片后经测试，功能及全参数均满足了设计要求，达到了预期效果。

芯片工作电压为2.7v～5.5v，可编程限流范围为100ma至500ma，导通电阻典型值为70mω，芯片内部配有过温保护、欠压保护以及短路保护功能，当电路系统出现问题时，可及时释放保护信号，关闭系统，提高电路系统的稳定性。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，是理想的usb过流保护元件。