本發(fā)明涉及負(fù)載開關(guān)的短路保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種usb限流開關(guān)的雙重電流保護(hù)電路。

背景技術(shù)：

1、對負(fù)載開關(guān)進(jìn)行短路保護(hù)是電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，其核心目標(biāo)是確保在短路發(fā)生時，能迅速切斷電流，防止設(shè)備損壞和安全事故。首先根據(jù)負(fù)載類型（如電阻性、電感性、容性）和系統(tǒng)參數(shù)（額定電壓、電流）確定保護(hù)需求。對于電阻性負(fù)載，短路時電流急劇增大，需選用熔斷器或斷路器進(jìn)行瞬時保護(hù)；電感性負(fù)載因存在電感儲能，短路時電流上升較緩但持續(xù)時間長，需采用帶延時特性的保護(hù)裝置；容性負(fù)載短路時可能產(chǎn)生高頻振蕩，需配合濾波電路和快速響應(yīng)的浪涌保護(hù)器。

2、其中，usb限流開關(guān)是一種集成在usb電源管理電路中的關(guān)鍵元件，其核心功能是通過實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電流，防止因過流或短路導(dǎo)致的設(shè)備損壞或安全隱患。當(dāng)設(shè)備接入usb接口時，限流開關(guān)開始供電并同步啟動電流監(jiān)測。若電流超過設(shè)定值，芯片會快速響應(yīng)，通過降低mosfet的導(dǎo)通程度來動態(tài)調(diào)節(jié)電流，使其回落至安全范圍內(nèi)。部分高端芯片還具備軟啟動功能，可在設(shè)備熱插拔時抑制浪涌電流，防止瞬時過載。

3、但是普通負(fù)載開關(guān)發(fā)生短路事件后只能依賴靜態(tài)保護(hù)進(jìn)入恒流模式，無法為容性負(fù)載熱插拔的瞬態(tài)沖擊做出合理的保護(hù)響應(yīng)，無法為功率開關(guān)的容性負(fù)載應(yīng)用提供合理、安全可靠的電流保護(hù)響應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種usb限流開關(guān)的雙重電流保護(hù)電路，旨在改善常規(guī)保護(hù)電路無法為容性負(fù)載熱插拔的瞬態(tài)沖擊做出合理的保護(hù)響應(yīng)，無法為功率開關(guān)的容性負(fù)載應(yīng)用提供合理、安全可靠的電流保護(hù)響應(yīng)的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種usb限流開關(guān)的雙重電流保護(hù)電路，包括電流偏置模塊、升壓鉗制單元、初始化模塊、過流保護(hù)模塊、短路保護(hù)模塊、控制模塊、輸出功率mos管powerfet、輸出電流感應(yīng)mos管sensefet、感應(yīng)電流檢測電阻rsense、負(fù)載電阻rl和負(fù)載電容cl；

4、外部電源vin與輸出功率mos管powerfet的漏極、感應(yīng)電流檢測電阻rsense的一端、電流偏置模塊、升壓鉗制單元、初始化模塊、過流保護(hù)模塊、短路保護(hù)模塊電性連接；

5、所述感應(yīng)電流檢測電阻rsense的另一端與輸出電流感應(yīng)mos管sensefet的漏極、過流保護(hù)模塊的第一輸入端和短路保護(hù)模塊的第一輸入端電性連接，所述電流偏置模塊輸出偏置電流至初始化模塊的第一輸入端、過流保護(hù)模塊的第二輸入端、短路保護(hù)模塊的第二輸入端，所述初始化模塊的輸出端與過流保護(hù)模塊電性連接，所述過流保護(hù)模塊的輸出端與控制模塊的第一輸入端電性連接，短路保護(hù)模塊的輸出端與過流保護(hù)模塊的第三輸入端、初始化模塊的第二輸入端和控制模塊的第二輸入端電性連接，所述控制模塊的輸出端和升壓鉗制單元的輸出端均與輸出功率mos管powerfet的柵極和輸出電流感應(yīng)mos管sensefet的柵極電性連接，所述輸出功率mos管powerfet的源極和輸出電流感應(yīng)mos管sensefet的源極分別與負(fù)載電阻rl的一端和負(fù)載電容cl的一端電性連接，并輸出vout至外部負(fù)載；

6、所述輸出功率mos管powerfet的襯底、輸出電流感應(yīng)mos管sensefet的襯底、負(fù)載電阻rl的另一端和負(fù)載電容cl的另一端均接地。

7、進(jìn)一步的，所述電流偏置模塊包括運(yùn)算放大器op101、mos管p101、mos管p102、mos管p103、mos管n101、mos管n102、mos管n103、mos管n104、mos管n105和電阻r101、電阻r102；

8、外部電源vin與mos管p101的源極和襯底、mos管p102的源極和襯底、mos管p103的源極和襯底電性連接，所述mos管p101的柵極和漏極均與mos管p102的柵極、mos管p103的柵極、mos管n101的漏極電性連接；

9、外部基準(zhǔn)電壓vref與運(yùn)算放大器op101的反相輸入端電性連接，所述運(yùn)算放大器op101的輸出端與mos管n101的柵極電性連接，所述mos管n101的源極與電阻r101的一端和運(yùn)算放大器op101的同相輸入端電性連接，所述電阻r101的另一端與電阻r102的一端電性連接；

10、所述mos管p102的漏極輸出偏置電流ibias1至過流保護(hù)模塊、短路保護(hù)模塊；

11、所述mos管p103的漏極與mos管n102的柵極、漏極和mos管n104的柵極電性連接，所述mos管n102的源極與mos管n103的柵極、漏極和mos管n105的柵極電性連接，所述mos管n104的漏極輸出偏置電流ibias2至初始化模塊；

12、所述電阻r102的另一端、mos管n101的襯底、mos管n102的襯底、mos管n103的源極、襯底、mos管n104的襯底和mos管n105的源極、襯底均接地。

13、進(jìn)一步的，并滿足下列條件，

14、（w/l）p101：（w/l）p102：（w/l）p103=2：1：1；

15、（w/l）p102：（w/l）p104=1：1；

16、（w/l）p103：（w/l）p105=1：1；

17、其中，（w/l）pn為mos管pn的寬長比，即（w/l）p101為mos管p101的寬長比；（w/l）p102為mos管p102的寬長比；（w/l）p103為mos管p103的寬長比；（w/l）p104為mos管p104的寬長比；（w/l）p105為mos管p105的寬長比。

18、進(jìn)一步的，所述升壓鉗制單元包括電荷泵升壓模塊和鉗制模塊，

19、外部電源vin與電荷泵升壓模塊的電源輸入端電性連接；

20、所述電荷泵升壓模塊的輸出端輸出vgate電壓至鉗制模塊的輸入端、輸出功率mos管powerfet的柵極和輸出電流感應(yīng)mos管sensefet的柵極，所述鉗制模塊的輸出端與負(fù)載電性連接。

21、進(jìn)一步的，所述電荷泵升壓模塊包括mos管p201和電阻r201，并至少包括三極管q201、三極管q202、三極管q203、三極管q204、三極管q205、三極管q206、三極管q207、電容c201、電容c202、電容c203、電容c204、電容c205和反相器inv200、反相器inv201、反相器inv202、反相器inv203、反相器inv204、反相器inv205；

22、外部電源vin與mos管p201的源極和襯底電性連接，外部使能信號en與mos管p201的柵極電性連接，外部時鐘信號clk與反相器inv200的正極電性連接；

23、所述mos管p201的漏極與三極管q201的集電極、基極和電容c201的一端電性連接，所述反相器inv200的負(fù)極與反相器inv201的正極電性連接，所述反相器inv201的負(fù)極與電容c201的另一端和反相器inv202的正極電性連接；所述反相器inv202的負(fù)極與電容c202的一端和反相器inv203的正極電性連接；所述反相器inv203的負(fù)極與電容c203的一端和反相器inv204的正極電性連接；所述反相器inv204的負(fù)極與電容c204的一端和反相器inv205的正極電性連接；所述反相器inv205的負(fù)極與電容c205的一端電性連接；

24、所述三極管q201的發(fā)射極與三極管q202的集電極、基極和電容c202的另一端電性連接；所述三極管q202的發(fā)射極與三極管q203的集電極、基極和電容c203的另一端電性連接；所述三極管q203的發(fā)射極與三極管q204的集電極、基極和電容c204的另一端電性連接；所述三極管q204的發(fā)射極與三極管q205的集電極、基極和電容c205的另一端電性連接；所述三極管q205的發(fā)射極與三極管q206的集電極、基極電性連接；所述三極管q206的發(fā)射極與三極管q207的集電極、基極電性連接；所述三極管q207的發(fā)射極與電阻r201的一端電性連接，所述電阻r201的另一端輸出vgate電壓至鉗制模塊的輸入端、輸出功率mos管powerfet的柵極和輸出電流感應(yīng)mos管sensefet的柵極。

25、進(jìn)一步的，所述鉗制模塊包括三極管q208，并至少包括mos管p202、mos管p203、mos管p204、mos管p205、mos管p206、mos管p207；

26、外部電源vin與所述mos管p202的襯底、mos管p203的襯底、mos管p204的襯底、mos管p205的襯底、mos管p206的襯底、mos管p207的襯底電性連接，

27、所述三極管q208的集電極、基極均與電荷泵升壓模塊的輸出端電性連接；

28、所述三極管q208的發(fā)射極與mos管p202的源極電性連接，所述mos管p202的柵極和漏極均與mos管p203的源極電性連接；所述mos管p203的柵極和漏極均與mos管p204的源極電性連接；所述mos管p204的柵極和漏極均與mos管p205的源極電性連接；所述mos管p205的柵極和漏極均與mos管p206的源極電性連接；所述mos管p206的柵極和漏極均與mos管p207的源極電性連接；所述mos管p207的柵極和漏極均與負(fù)載連接。

29、進(jìn)一步的，所述初始化模塊包括反相器inv309、反相器inv310、反相器inv311、mos管p310、mos管p311、mos管p312、mos管p313、mos管p314、mos管p315、mos管p316、mos管p317、mos管p318、mos管p319、mos管p320、mos管n316、mos管n317、mos管n318、mos管n319、mos管n320、mos管n321、mos管n322、mos管n323、mos管n324、mos管n325、mos管n326、三極管q301和電容c301；

30、外部電源vin與mos管p310的源極、襯底、mos管p311的源極、襯底、mos管p312的源極、襯底、mos管p313的源極、襯底、mos管p314的襯底、mos管p315的源極、襯底、mos管p316的源極、襯底、mos管p317的源極、襯底、mos管p318的源極、襯底、mos管p319的源極、襯底、mos管p320的源極、襯底電性連接；

31、所述電流偏置模塊輸出偏置電流至mos管p310的柵極、漏極、mos管p311的柵極和mos管p315的柵極；所述mos管p311的漏極與mos管n316的漏極、柵極和mos管n22的柵極電性連接；外部使能信號en與mos管p312的柵極、mos管p313的柵極、mos管n317的柵極和mos管n318的柵極電性連接；所述mos管p312的漏極與mos管n317的漏極、mos管p319的柵極和mos管n326的柵極電性連接；

32、所述mos管p313的漏極與mos管p314的源極電性連接，所述短路保護(hù)模塊的輸出端與mos管p314的柵極和mos管p319的柵極電性連接；所述mos管p314的漏極與mos管n318的漏極、mos管n319的漏極和反相器inv309的正極電性連接；

33、所述mos管p315的漏極與mos管n320的漏極、電容c301的一端、三極管q301的集電極和mos管p316的柵極電性連接；所述反相器inv309的負(fù)極與mos管n320的柵極和mos管n321的柵極電性連接，所述mos管n321的漏極與電容c301的另一端和三極管q301的基極電性連接；

34、所述mos管p316的漏極與反相器inv310的正極和mos管n322的漏極電性連接，所述反相器inv310的負(fù)極與反相器inv311的正極電性連接，所述反相器inv的負(fù)極與mos管p318的柵極和mos管n323的柵極電性連接；

35、所述mos管p317的漏極與mos管p318的漏極、mos管n323的漏極、mos管p320的柵極和mos管n325的柵極電性連接，所述mos管n323的源極與mos管n324的漏極電性連接；

36、所述mos管p320的漏極與mos管p319的漏極、mos管n325的漏極、mos管p317的柵極、mos管n324的柵極電性連接，并輸出初始化信號init信號至過流保護(hù)模塊和短路保護(hù)模塊；所述mos管n325的源極與mos管n326的漏極電性連接；

37、所述mos管n316的源極、襯底、mos管n317的源極、襯底、mos管n318的源極、襯底、mos管n319的源極、襯底、mos管n320的源極、襯底、mos管n321的源極、襯底、mos管n322的源極、襯底、mos管n323的襯底、mos管n324的源極、襯底、mos管n325的襯底、mos管n326的源極、襯底和三極管q301的發(fā)射極均接地。

38、進(jìn)一步的，還包括參考模塊，所述參考模塊包括mos管n301、mos管n302、mos管n303、mos管n304、mos管p301，并至少包括電阻r300、電阻r301、電阻r302和熔絲fuse301、熔絲fuse302；

39、所述短路保護(hù)模塊包括mos管p302、mos管p303、mos管p304、mos管n305、mos管n306、mos管ndep301和反相器inv301、反相器inv302、反相器inv303、反相器inv304；

40、所述過流保護(hù)模塊包括mos管p305、mos管p306、mos管p307、mos管p308、mos管n307、mos管n308、mos管n309、mos管n310、mos管n311、反相器inv305、反相器inv306、反相器inv307、反相器inv308和電阻r303；

41、所述控制模塊包括mos管p309、mos管n312、mos管n313和mos管n315；

42、外部電源vin與mos管p301的襯底、mos管p302的襯底、mos管p303的襯底、mos管p304的源極、襯底、mos管p305的襯底、mos管p306的源極、襯底、mos管p307的源極、襯底、mos管p308的襯底和mos管p309的源極、襯底電性連接；

43、所述電流偏置模塊輸出偏置電流至mos管n301的柵極、漏極、mos管n303的柵極、漏極、mos管n305的柵極、漏極、mos管n307的柵極；所述mos管n301的源極與mos管n302的柵極、漏極、mos管n304的柵極、mos管n306的柵極、mos管n308的柵極和mos管n309的柵極電性連接；所述mos管n303的源極與mos管n304的漏極電性連接，所述mos管n303的漏極與mos管p301的柵極、漏極、mos管p302的柵極和mos管p305的柵極電性連接；所述電阻r300、電阻r301、電阻r302依次串聯(lián)在mos管p301的源極和外部電源vin之間，所述熔絲fuse301的兩端電性連接在電阻r301的兩端，所述熔絲fuse302的兩點電性連接在電阻r302的兩端；

44、所述感應(yīng)電流檢測電阻rsense的另一端與mos管p302的源極和電阻r303的一端電性連接，所述mos管p302的漏極與mos管p303的源極和mos管p304的柵極電性連接，所述mos管p303的柵極與mos管p304的漏極和反相器inv301的正極電性連接，所述mos管p303的漏極與mos管n305的漏極電性連接，所述mos管n305的源極與mos管n306的漏極電性連接，所述mos管p304的漏極與mos管ndep301的漏極電性連接；

45、所述反相器inv301的負(fù)極與反相器inv302的正極電性連接，所述反相器inv302的負(fù)極與反相器inv303的正極電性連接，所述反相器inv303的負(fù)極與反相器inv304的正極電性連接，所述反相器inv304的負(fù)極輸出短路保護(hù)信號scp至mos管n310的柵極和mos管n315的柵極；

46、所述電阻r303的另一端與mos管p305的源極電性連接，所述mos管p305的漏極與mos管p306的柵極、mos管p307的柵極、mos管n307的漏極和mos管p309的柵極電性連接；所述mos管n307的源極與mos管n308的漏極電性連接；所述mos管p306的漏極與mos管n309的漏極、mos管p308的漏極、mos管n310的漏極、mos管n311的漏極和反相器inv305的正極電性連接；

47、所述mos管p307的漏極與mos管p308的源極電性連接，所述mos管p308的柵極與反相器inv305的負(fù)極和反相器inv306的正極電性連接，所述反相器inv306的負(fù)極與反相器inv307的正極電性連接，所述反相器inv307的負(fù)極與反相器inv308的正極電性連接，所述反相器inv308的負(fù)極輸出過流保護(hù)信號ocp至mos管n313的柵極；所述初始化模塊的輸出端與mos管n311的柵極電性連接；

48、所述mos管p309的漏極與mos管n312的柵極、漏極和mos管n314的柵極電性連接，所述mos管n313的源極與mos管n314的漏極電性連接，所述mos管n313的漏極和mos管n315的漏極均與輸出功率mos管powerfet的柵極和輸出電流感應(yīng)mos管sensefet的柵極電性連接；

49、所述mos管n301的襯底、mos管n302的源極、襯底、mos管n303的襯底、mos管n304的源極、襯底、mos管n305的襯底、mos管n306的源極、襯底、mos管ndep的柵極、源極、襯底、mos管n307的襯底、mos管n308的源極、襯底、mos管n309的源極、襯底、mos管n310的源極、襯底、mos管n311的源極、襯底、mos管n312的源極、襯底、mos管n313的襯底、mos管n314的源極、襯底和mos管n315的源極、襯底、均接地。

50、進(jìn)一步的，并滿足下列條件，

51、（w/l）p310：（w/l）p311：（w/l）p315=10：1：1；

52、其中，（w/l）pn為mos管pn的寬長比，即（w/l）p310為mos管p310的寬長比；（w/l）p311為mos管p311的寬長比；（w/l）p315為mos管p315的寬長比。

53、進(jìn)一步的，并滿足下列條件，

54、（w/l）n301：（w/l）n303：（w/l）n305：（w/l）n307=1：2：4：2；

55、（w/l）n302：（w/l）n304：（w/l）n306：（w/l）n308：（w/l）n309=1：2：4：2：n；

56、（w/l）p301：（w/l）p302：（w/l）p305=4：8：4；

57、其中，（w/l）pn為mos管pn的寬長比，即（w/l）p301為mos管p301的寬長比；（w/l）p302為mos管p302的寬長比；（w/l）p305為mos管p305的寬長比；

58、（w/l）nn為mos管nn的寬長比，即（w/l）n301為mos管n301的寬長比；（w/l）n302為mos管n302的寬長比；（w/l）n303為mos管n303的寬長比；（w/l）n304為mos管n304的寬長比；（w/l）n305為mos管n305的寬長比；（w/l）n306為mos管n306的寬長比；（w/l）n307為mos管n307的寬長比；（w/l）n308為mos管n308的寬長比；（w/l）n309為mos管n309的寬長比，n為大于零的比例系數(shù)。

59、采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

60、1、當(dāng)負(fù)載發(fā)生容性負(fù)載熱插拔事件時，輸出功率mos管powerfet快速響應(yīng)將vout降至負(fù)載電容cl電壓并限制尖峰電流，并進(jìn)入限流模式直至負(fù)載電容cl充電完成；當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路事件時，輸出功率mos管powerfet快速響應(yīng)限制尖峰電流并自動重試；當(dāng)負(fù)載緩慢增大使輸出發(fā)生過流事件時，輸出功率mos管powerfet進(jìn)入限流模式直至外部負(fù)載使輸出電流下降到限流值以下，實現(xiàn)為容性負(fù)載熱插拔的瞬態(tài)沖擊做出合理的保護(hù)響應(yīng)，并提供合理、安全可靠的電流保護(hù)響應(yīng)。

61、2、初始化模塊的輸出端與過流保護(hù)模塊、短路保護(hù)模塊電性連接，在負(fù)載開關(guān)啟動器件，過流保護(hù)模塊被初始化模塊禁用一端時間，避免浪涌電流使過流保護(hù)模塊誤觸發(fā)導(dǎo)致啟動失敗，在此器件短路保護(hù)模塊對堵在起到極端情況下的防護(hù)，避免負(fù)載損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。