一種可編程USB限流開關設計

王 淪

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引 言

目前USB技術的應用十分廣泛。支持熱插拔是USB系統的主要技術特點之一。進行熱插拔操作時，因發生瞬間短路或連接了受損設備而產生了較大電流時，必須對USB集線器和主機裝置進行有效保護。因此，在USB電源管理方面，電源保護性開關需要具備電流檢測以及多種其他保護功能[1]。

基于此，提出一種可編程USB限流開關，當USB后續接口取電而導致整體電流超過預設電流時，可用以減小過大的電流，將輸出電流值維持在限定范圍內，并滿足自供電USB集線器輸出所需的100mA至500mA連續電流。本電路具有響應速度快、導通電阻小、故障標志輸出、使用壽命長等優點，可作為理想的USB過流保護元件來使用[2]。

2 電路結構和基本原理

USB電源管理器在高功率模式下最大輸出電流為500mA，在低功率模式下輸出電流最大值為100mA。本電路除了可以滿足USB總線對負載電流的嚴格控制外，也可同時實現100mA至500mA電流閾值點可編程設定，精度可達到10%。芯片由輸出P型功率管、電流采樣管、可復制放大器、電流限制放大器、過溫保護電路、欠壓保護電路、故障指示輸出端（)和邏輯控制電路等部分組成。輸出功率管與電流采樣管尺寸相同，比例為1080：1，電路內部結構框圖如圖1所示。

圖1 電路結構框圖

該芯片的功能是通過可復制放大器、電流限制放大器及其控制的電流采樣管構成的環路來實現的。根據芯片的加載情況，芯片環路需要進行相應的調節。按照加載情況，電路的工作狀態可分為輕載、負載沒有達到設定閾值、負載為設定值附近、負載超過設定值以及短路這五種工作情況。在這五種工作情況下，環路工作在相應的調節狀態，還需要保證負載動態變化時環路調節的穩定。

通過圖1中的RSET電阻可以設定限流閾值點。當限流電路起作用時，可復制放大器和Mp3管構成的負反饋可以保證A點與B點電壓相等，還可保證Mp2與Mp1上的電流互成精確鏡像，此時，流過Mp2和RSET電阻的電流(ISET)為流經Mp1電流的1/1080。流過Mp1的電流為設定的電流閾值點(ILIMIT)，推導公式如下：

式中的1.24V由基準電壓電路產生，通過式(2)可以得知，通過調節RSET阻值來設定該電路的電流閾值點ILIMIT，即可實現可編程電流限制。

當出現過流或短路時，A點電壓低于B點電壓，此時可復制放大器工作于非線性區，由電流限制放大器、電流采樣管Mp2和Mp3構成的負反饋環路保證SET端電壓為1.24V，此時流過采樣管Mp2的電流為1.24V/ISET，通過鏡像將維持預設閾值電流輸出。

當負載電流遠小于設定的電流閾值點時，VSET值小于1.24V，此時電流限制放大器工作于非線性區，輸出為低電平，將Mp1管完全打開，使其工作于線性區，同時降低其導通電阻，不進行限流控制。

電路正常工作時，作為高邊電流限制器，可復制放大器的兩端電壓接近或等于輸入電源電壓VIN，傳統的五管放大器輸入共模電壓范圍無法達到電源電壓附近或者超出電源電壓[3]，為了提高電路匹配性，降低工藝匹配帶來的放大器系統失調，可采用共基極作為放大器輸入級的折疊式放大器結構[4]，如圖2所示。

圖2 可復制放大器電路圖

共基極結構放大器的輸入級不使用VIN直接偏置，因而可以避免輸入共模電壓受到電源電壓的控制，當A，B兩端電壓接近甚至高于電源電壓時電路仍然可以正常工作。當環路建立時，A點電壓與B點電壓相等，N2為輸入級提供偏置電流，輸入級靜態偏置點約為VBE與N2管的過驅動電壓之和，實現了轉移高輸入共模電壓的目的；N3與N4將差分信號進一步放大，并將差分信號轉換為單端信號由VOUT端輸出。

從圖2中可以看出，C點電壓值為：

上式中VA為A端電壓，IIN為N1和N2產生的偏置電流，為一固定電流；C點電壓隨著A端電壓變化而產生變化，如下式：

式(4)中VCM為輸入到A和B端口的輸入共模電平，電路的最高共模電平由2IINR4+VCEO_Q0+IINRIN、2IINR5+VCEO_Q0+IINRIN和IINR4+VDS_n2+VBE_Q0+IINRIN的最小值決定。所選用的流片工藝為華虹0.35μmBCD工藝，其共模電壓值可遠遠超過電源工作電壓。該放大器差分輸入級的Q1和Q2的跨導為：

式中VTP為PNP管的熱電勢，將RIN對輸入信號的影響考慮在內，輸入級的跨導Gm可表示為：

通過式(5)和式(6)可以看出當C點電壓變化時，由于輸入偏置電流沒有變化，輸入跨導可以保持不變，從而可以保證放大器增益不受共模電壓變化的影響[5]。電流限制放大器如圖3所示。

圖3 電流限制放大器電路圖

圖中，輸入級差分器件為Q3和Q4，當負載電流達到設定限流點時，環路建立穩定，I1=I2，此時VSET端為低溫度系數基準電壓[6]：

當出現過流時，VSET電壓受流過RSET的電流的控制，隨著采樣電流上升VSET電壓也升高，此時I1＞I2，通過輸出電流采樣管進行反饋控制，將VSET維持在基準電壓，此時流過輸出電流采樣管的電流為：

不考慮溝道調制效應，輸出功率管的輸出電流為：

上式中K為輸出功率管與采樣管的比例系數[7]。

為保證器件在正常工作條件下的低導通電阻性能，輸出功率管工作于線性區時的導通電阻需要通過合理設置寬長比來實現。設定導通電阻典型值為70mΩ左右，計算公式如下所示：

另外，在USB熱插拔過程中，許多USB都呈現出大電容特性，會吸納很大的電流，其大小有時會超過規范限定的極限值，這將導致器件在極短的時間內處于限流工作狀態，如果這一故障被報告給控制器，就會引起擾亂性的跳脫動作。增加一個故障標志發送延遲，如圖4所示，可防止這些時間極短的事件觸發故障標志發送[8]。

圖4 芯片典型應用電路圖

3 系統仿真及測試結果

所設計的可編程電流限制開關在NEC 0.35μm BCD工藝下仿真并進行流片、測試。實際芯片的顯微鏡照片如圖5所示。

圖5 芯片的顯微鏡照片

當發生過流時，功率管及采樣管的柵極電壓均為高電平，此時錯誤指示輸出端輸出低電平，電路只有電流限制放大器工作于放大區，由電流限制放大器、采樣管以及可復制放大器控制的調節管構成環路。針對環路的增益以及相位裕度進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 環路增益及相位曲線

通過環路增益及相位裕度仿真得出放大器的增益變化范圍為59dB至84dB，相位裕度為83Deg至86Deg，可以滿足電路的性能要求。

當電路處于限流狀態時，電流限制放大器的基準電壓仿真情況如圖7所示。

圖7 基準電壓仿真結果

基準電壓的仿真結果數值表示如表1。

表1 仿真結果數據

過基準電壓仿真可以發現基準電壓在全corner仿真情況下，絕對值由1.221V變化到1.240V，在典型情況下基準電壓為1.232V，可以滿足限流器的精度要求。經流片后測試，芯片功能及參數均滿足了設計要求，達到了預期目標。

4 結束語

本研究圍繞高邊電流檢測放大器的應用，提出一款可應用于USB系統中的可編程電流開關。開關電路采用NEC 0.35μm BCD工藝進行設計并實際流片。通過流片后的實驗與仿真表明，可復制放大器在高共模范圍內仍然可以保證正常工作，限流器精度達到了10%，符合設計的預期，使其成為一款理想的USB過流保護元件，具有良好的推廣價值和應用前景。