开关电源芯片设计论文参考文献

一种USB电源开关的设计 摘要: 设计了一种低导通损耗的USB电源开关电路。该电路采用自举电荷泵为N型功率管 提供足够高的栅压,以降低USB开关的导通损耗。在过载情况下,过流保护电路能将输出电流限 制在 A。 关键词: USB开关;自举电荷泵; N型功率管;过流保护 1引言 通用串行总线(Universal Serial Bus)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必将获得 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。 本文设计的USB电源开关采用自举电荷泵,为 N型功率管提供2倍于电源的栅驱动电压。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。 2 USB开关电路的整体设计思路 图1为USB电源开关的整体设计。其中,VIN 为电源输入,VOUT为USB的输出。在负载正常的情 况下,由电荷泵产生足够高的栅驱动电压,使 NHV1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 1 A时,Current-sense输出高电平给过流保护电路 (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(VPUMP),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,Cur- rent-sense输出低电平,电荷泵正常工作。 3 电荷泵设计 图2为一种自举型(Self-Boost)电荷泵的电路 原理图。图中,Φ为时钟信号,控制电荷泵工作。初 始阶段电容,C1和功率管栅电容CGATE上的电荷均 为零。当Φ为低电平时,MP1导通,为C1充电,V1 电位升至电源电位,V2电位增加,MP2管导通。假 设栅电容远大于电容C1,V2上的电荷全部转移到 栅电容CGATE上。当Φ为高电平时,MN1导通,为 C1左极板放电,V1电位下降至地电位,V2电位下 降,MP2管截止,MN2管导通,给电容C1右极板充 电至VIN。在Φ的下个低电平时,V1电位升至电源 电位,V2电位增加至2VIN,MP2管导通,VPUMP电 位升至2VIN-VT。 自举电荷泵不需要为MN2和MP2提供栅驱 动电压,控制简单[1],但输出电压会有一个阈值损 失。图3是改进后的电荷泵电路图,Φ1和Φ2为互 补无交叠时钟。由MN2、MN5、MP3、MP2和电容 C2组成的次电荷泵为MN4、MP4提供栅压,以保证 其完全关断和开启。当Φ1为低电平时,MP1导通, 电位增加,此时,V3电位为零,MP4导通,V2上的电 荷转移到栅电容CGATE上,VPUMP电位升高。当Φ1为 高电平时,MP2导通,为C2充电,V4电位上升至电 源电位,V3电位随之上升,MP3导通,VPUMP电位继 续升高。MN3相当于二极管,起单向导电的作用。 在VPUMP电压升高到VIN+VT以后,MN3隔离V3 到电源的通路,保证V3的电荷由MP3全部充入栅 电容。这样,C1和C2相互给栅电容充电,若干个时 钟周期后,电荷泵输出电压接近两倍电源电压[2]。 在电荷泵输出电压升高的过程中,功率管提供的负 载电流逐渐上升,避免在容性负载上引起浪涌电流 4 过流保护电路设计 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,调节电荷泵输 出电压来实现的。图4是限流电路的原理图。 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1 A时,电流限信号(VLIMIT)为高 电平,MN7导通,栅电荷经MP6流向地,栅电压减 小,功率管工作在饱和区。C1、C2为电荷泵电容值, 在一个时钟周期T内,由电荷泵充入的栅电荷为: Q=VIN×C1+VIN×C2(1) 当功率管栅压稳定时,电荷泵充入的栅电荷等 于限流管放掉的栅电荷。限流管泄放电流为: IL=QT=VIN×C1+VIN×C2T(2) 由VGS(NHV)=VSG(MP6)(3) 得功率管和限流管的电流关系: 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40μs,NHV和MP6宽长比的比值 为300,功率管的并联个数为1×103。采用μm 30 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 ms。 3 ms后,功率管完全开启,为负载提供电源。 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。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 A。当过流保护电路工作后,过流保护电路将电流 限制在 A,保护了USB端口。16 ms后,负载恢 复正常,电源开关重新启动. 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 Simulation waveforms of charge pump output volt- age,power switch output voltage and power tran- sistor current during startup, current-limit and normal operation 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 A,达到保护 USB端口的目的。 参考文献: [1] PARK S, JAHNS T M. A self-boost charge pump to- pology for a gate drive high-side power supply [J]. IEEE Tans Power Electronics, 2005, 20 (2): 300- 307. [2] DI CATALDO G, PALUMBO G. Double and triple charge pump for power IC: dynamic models which take parasitic effects into account [J]. IEEE Trans Circ and Syst. 1993, 40 (2): 90-100.

This paper on the popular single-chip switching power supply chips for the multi-output DC voltage regulator and switching power supply design that started production. The choice of switching power supply a total of three major integrated circuits - MC68HC908QT2CD, UC3906, UC3842. UC3842 use of the PWM duty cycle technology control switch to adjust the output voltage, so as to achieve the objective of stability in output, UC3906 to use a floating battery charging and control through MC68HC908QT2CD by the main power switch and battery and circuit protection. The switching power supply system has multiple functions and DC output by the main function, and can automatically switch on the automatic protection system, completion of the main design elements include:Based on auto ⑴ UC3906 to the battery charging circuit part of the design;⑵ design and to MC68HC908QT2CD as the core of the SCM control and protection circuit;Automatic ⑶ the main electrical switch by the police and the software this paper, the main power switch on the power switch circuit by the battery charging circuit and software design were made and meticulous research work, through repeated appraisals and a calculated design of the system of valuable experience, master of the multi-output DC switching regulator Power Design's core technology, and conduct a more detailed words: MC68HC908QY2CDW; UC3906; lead-acid batteries