如何实现低导通损耗的USB电源开关的设计？

5 仿真结果与讨论

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， C1、C2 电容值为1 pF， 时钟周期为40 s， NHV 和MP6 宽长比的比值为300， 功率管的并联个数为1 103。采用0. 6 m30 V BCD 工艺， 在典型条件下， 用HSPICE 对整体电路仿真。由波形可以看出， 在1 ms 内， 负载输出电压逐渐上升， 功率管电流没有过冲， 启动时间为1. 7 ms。3 ms 后， 功率管完全开启， 为负载提供电源。

图5 启动时功率管电流和负载输出电压

表1 为限流电路工作时功率管的平均栅电压和平均电流。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。U SB 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0. 3 A， 保护了U SB 端口。16 ms 后， 负载恢复正常， 电源开关重新启动。

表1 限流时功率管平均栅电压和平均电流

图6 USB 开关在启动、限流和恢复正常过程中， 电荷泵输出电压、负载输出电压和功率管电流的仿真波形

6 结论

本文设计了一种满足USB 规范的电源开关。一种结构简单的自举电荷泵为N 型功率管提供栅驱动电压， 以降低开关的导通损耗。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。仿真结果表明， 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0. 3 A， 达到保护USB 端口的目的。