USB电路保护图..

1、车载 ECU 的安全性能要求很高，在电气、物理、化学等各方面，各大汽车厂商通常都有自己严格的标准。 一般情况下，车载 ECU 的外部接口都要有各种故障保护电路，其中最重要的莫过于对车载12V 电源或对地发生短路时的保护电路。由于USE 接口可以直接输岀 5 伏电源，所以短路保护显得尤为重要。本文设计的保护电路可以实现对 USB 电源输出线的有效保护， 无论 USB 电源输出线 VBUS 发生对 12V 电源还是对 地短路，均不影响车载 ECU 内部电路的正常工作，实现了本质安全级的短路保护。1、 前言为了保证行车安全，车载 ECU 的安全性能要求很高，在设计时便要保证故障发生率尽量低。作为目前

2、应用最为广泛的移动外设与主机间通讯接口，USB( Universal Serial Bus )具有成本低、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点，在车载娱乐和存储设备上获得了广泛的应用。因为USB 接口提供了内置电源，可提供 500mA 以上的电流，对于一些功率较大的设备，如移动硬盘等，其瞬时驱动电流则可达 到 1A 以上。如果车载ECU上带有像 USB总线这种可以直接输岀电源的接口， 为防止接口电路发生对电源 或对地短路时损坏机体，其接口部分通常都应具有保护电路，以便执行故障自诊断和保护功能。当系统 产生故障时，它能在存储体中自动记录故障代码并采用保护措施，防止系统损坏，避免引起安全事故。2

3、、 电路设计利用比较器并结合外围电路，本文设计了一种可以自动探测USB 电源输出线是否发了对 12V 电源或地短路，并且可以在短路故障发生时自动切断电源供应的保护电路。另外，如果探测到联接设备不在支 持的 USB 设备之列，系统也可以借助本电路主动断开电源供应，并自动根据设备的连接状态实现对电源 供应的控制。具体电路如图 1 所示。图 1 USB VBUS 短路保护电路图中 MN1 和 MN2 是 USB 电源通道上的两个 MOSFE，用于控制 5 伏电源的输出，它们的 G 端都连接到 比较器的输出端上。比较器的正端电位值受3.3 伏和 VBUS 共同影响，负端电位值由 Umid 通过电阻分压

4、来决定，Umid 的值总是与 VCC5X 和 VBUS 中的大者相同。本充分发挥二极管的正向导通和反向截止的作用， 并对MOSf 中快恢复二极管加以利用，利用一个比较器便可以构成一个窗口比较器。如果VBUS的电压落在窗口之外(例如 12V 供电电压或地电平)，那么比较器输岀低电平，关断供电线的MOSf。这样既使 12V 电压无法进入系统内部，也防止了系统5V 供电因为对地短路而发生过流，起到了保护系统不受短路侵扰的作用。3、功能论证假设比较器的两个输入端电位分别为U+和 U-，输出电位为 UQ 二极管 D1 和 D2 的电压分别为 UD1和 UD2 可知：U- =( Umid UDD R2/(

5、R2+R3 ；(1)正常工作的情况下，U- U+时，比较器输出电平发生反转，即：(Umid UD1 R2/ ( R2+R3 3.3(4)即: Umid 3.3(R2+R3 / R2 +UD1(5)设此时 VBUS 的值为 VBUSH 结合式(3)可得：VBUSH= 3.3 (R2+R3 / R2 +UD1(6)即当 VBUS 大于 3.3 (R2+R3 / R2 + UD1 时，比较器便会将 MOSf 关断。b、如果 VBUS 电压小于 3.3V，此时有：U+ =VBUS+UD2(7 )Umid =VCC5V(8)当 U- U+时，比较器输出电平发生反转，由式(1)、( 4)、( 7)、( 8

6、)，设此时 VBUS 的值为VBUSL 有:VBUSL = ( VCC5 UD1) R2/ ( R2+R3 UD2;(9 )即当 VBUS 小于(VCC5 UD1 R2/ ( R2+R3 UD2，比较器便会将 MOSf 关断。假设比较的输岀电压为 UQ 其电压传输特性如图 2 所示：芝图 2电压传输特性由上述讨论可知， 图 1 所示电路可以仅用一个比较器来构成阈值可调的窗口比较器，实现了对 USB 供电电路的有效保护。当 VBUS 上连入的电压大于 VBUSH 或小于 VBUSL 时，比较器的输出将变为低电平，关断 MOS 管 MN1 和 MN2 将系统电源 VCC5X 和 VBUS 隔离开来

7、。电路中 C1 和 C2 的作用是维 持比较器输入端电压瞬时不变，另外，电路使用了三路幅值不同的电源，其中 VCC12V1 于比较器的供电，目的是在 VBUS 发生对电源短路时，防止比较器的负端输入电压大于其供电电压，同时也是为了能够充分 打开 MOSfMN1 和 MN2 VCC3.3V 用作比较器正端参考电压， 不建议将正端参考电压设置为高于 3.3V，因 为对于一些功耗较大的 USB 设备，其连接的瞬间会将 VBUS 拉低。这期间 VBUS 的值将会位于 3.3V 与 5V 之间，如果此时正端的参考电压大于3.3V，比较器会有发生误动作的风险。为了安全起见，当系统探测到连接的外部设备不能识

8、别，或是属于不支持的设备时， 系统要关断 USB的电力供应。此时，CPU 可以通过打开 MN3 将比较器的输出拉低，关断 MN1 和 MN2 这种情况下，外设的 电源电路将会作为一个负载与R4 和 D2 串联组成一个回路。由于外设电源电路的输入电阻很低，比较器同相端的将处于较低电位的状态，从而产生正反馈效应，促使比较器也输出低电位。由于比较器和MN3均是开集/漏结构，具有线与功能，所以此时系统 CPU 可以关断 MN3 通过比较器继续维持 UO 的低电平状 态。只有外部设备断开后，比较器的正端输入电位变高，VBUS 的供电线路才会恢复正常。上述电路的功能在实际应用中得到了验证。利用这个电路，当

9、VBUS 与 12V 电源或地发生短路时，系统内的 5V 电源丝毫不受影响，即不会发生电压倒灌的现象也不会被拉低引起系统复位电压比较器电路。电压比较器是比较两个电压和开关输出或高或低的状态，取决于电压较高的电路。一个基于运放电压比较器上显示。图1 显示了一个电压比较器的反相模式图显示了在非反相模式下的电压比较。R2Fig 1Nun invertingcomparatorv+电压比较器非反相比较在非反相比较器的参考电压施加到反相输入电压进行比较适用于非反相输入。每当进行比较的电压(Vin)以上的参考电压进入运放的输出摆幅积极饱和度(V +)，和副反之亦然。实际上发生了什么是VIN 和 Vref(

10、VIN - VREF)之间的差异，将是一个积极的价值和由运放放大到无穷大。由于没有反馈电阻Rf,运放是在开环模式，所以电压增益(AV)将接近无穷。+ 所以最大的可能值，即输出电压摆幅，V。请记住公式 AV = 1 +(Rf/R1)。当 VIN 低于 VREF 反向发生。反相比较在相比较的情况下，参考电压施加到非反相输入和电压进行比较适用于反相输入。每当输入电压(Vin)高于 VREF 运放的输出摆幅负饱和。倒在这里，两个电压(VIN-VREF)之间的差异和由运放放大到无穷大。记住公式AV = -Rf/R1 。在反相模式下的电压增益的计算公式是 AV = -Rf/R1.S ince没有反馈电阻，

11、增益将接近无穷，输出电压将尽可能 即负，V-。实际电压比较器电路一种实用的非基于 UA741 运放的反相比较器如下所示。这里使用R1 和 R2 组成的分压器网络设置参考电压。该方程是VREF =(五 + /(R1 + R2)的)XR2 的。代入这个方程电路图值，VREF = 6 匕当 VIN 高于 6V,输出摆幅？+12 V 直流，反之亦然。从 A + / - 12V 直流双电源供电电路。+ 12V DC电压比较器的使用 741 一些其他的运放，你可能会感兴趣的相关电路1 求和放大器：总结放大器可以用来找到一个信号给定数量的代数和。2。 集成使用运放：对于一个集成的电路，输出信号将输入信号的积

12、分。例如，一 个集成的正弦波使余弦波，方波一体化为三角波等。3。反相放大器：在一个反相放大器，输出信号将输入信号的倒版，是由某些因素放4。仪表放大器：这是一个类型的差分放大器输入额外的缓冲阶段。输入阻抗高，易(CMRR)低失调电压和高增微星科技荣获台湾经济部“产业科技发展优等创新企业奖”， 作为 IT(V+)+12VDC苣32IC1UA741.vout大。于匹配结果。仪表放大器具有更好的稳定性，高共模抑制比、人益。4.7K斗Vin行业板卡一线大 厂来说，板卡研发确实不断创新。就拿主板上的 USB 接口供电和 ESD 保护来说，微星 科技就采用当前最新的技术设计和最新的元件。一、各种 USB 接

13、口供电设计依据 ACPI 标准的要求，USB 接口要采用 2 路供电，一路是+5V 供电，一路是+5VSB 供电。当系统在 ACPI 的 S0 （系统正常运行）/S1 （ CPU 休眠）二种状态时，USB 接 口由电源供应器的+5V 供电。当系统在 ACPI 的 S3（休眠到内存）/S5（系统关闭待机） 状态时，USB 接口由电源供应器的+5VSB 供电。这里涉及到 2 路供电的切换，就是说 系统从 S0/S1/S2 转换为S3/S4/S5 状态时，USB 接口的供电要从+5V 切换到+5VSBUSB 供电的切换设计方案目前有三种：手动跳线切换，MOSEFT 切换和专用芯片切换。现在我们具体看

14、看这三种切换方案。1、手动跳线切换图 1 :跳线切换+5V/+5VSB 实例上图是某品牌高端 P45 主板的前置 USB 接口，采用跳线切换+5V 和+5VSB ,主板上带 有跳线设置说明。当用户需要使用USB 设备（例如键鼠）从 S3 休眠状态下唤醒时，这个 USB 设备连接在哪个 USB 接口就要把这个接口的跳线设置在2-3。设置跳线后该 USB 接口就一直由+5VSB 供电，无论系统处于 S0/S1 还是 S3/S5 状态。过电流和短路保护采用保险丝+5V和十5VSB供电切换跳线图 2 :跳线切换+5V/+5VSB 电路原理这种方案的好处是节省成本，厂家的利润多一点。缺点是唤醒设备只能使

15、用跳线设置的USB 接口，不灵活，会给用户带来不便。供电电路的过电流和短路保护采用自恢复保险丝。当USB 设备出现故障导致电流增大或短路时，保险丝切断供电，保护供电电路不被过电流烧毁。2、MOSEFT 切换图 3 : MOSEFT 切换 +5V/+5VSB 实例上图是另一品牌高端 P45 主板的前置 USB 接口，采用 2 颗 MOSEFT 切换。切换原理参见下图MOSEFT切换+5V/+5VSB保险丝 过电流和 短路保护MOSEFT1 用于+5V , MOSEFT1 的道通控制极一栅极连接 +5V 驱动信号。M0SEFT2 用于+5VSB，MOSEFT2 的道通控制极一栅极连接 +5VSB

16、驱动信号。当系统处于 S0/S1 状态时，+5V 驱动信号为高电平（+5VSB 驱动信号是低电平），MOSEFT1 导通,+5V 经过 MOSEFT 加到 USB 接口。当系统处于 S3/S5 状态时，+5VSB 驱动信号为高电平（+5V 驱动信号是低电平）， M0SEFT2 导通，+5VSB 经过 MOSEFT 力口到 USB接口这种方案的优点是可以通过 BIOS 设置依据系统状态切换 USB 接口的供电来源。比跳线切换方便。供电电路的过电流和短路保护也是采用自恢复保险丝。当USB 设备出现故障导致电流增大或短路时，保险丝切断供电，保护供电电路不被过电流烧毁。SVCCfjloJjMOSEFT

17、1MOSEFT15V5V南桥南桥MOSEFT2南桥-图 4 : MOSEFT 切换+5V/+5VSB 电路原理MOSEFT2旳桥3、专用芯片切换图 5 :采用专用芯片切换 +5V/+5VSB 的微星 P45-platinum跳线切换和 MOSEFT 切换是早期的 USB 接口供电方案，微星采用最新的技术成果一专 用芯片。5Vcx输入o- - 5如输入c-I图 6 : S12 专用芯片原理S12 芯片内部有切换逻辑电路，配合S3#信号状态，在+5V 和+5VSB 之间切换，当系统处于 S0/S1 模式时，+5V 通过 S12 给 USB 接口供电。当系统处于 S3/S5 模式时，由+5VSB 通

18、过 S12 给 USB 接口供电。EN 信号可以开启/关闭 5V 输入5Z输出|-o-=p接南桥:USB接11vD-D+GS12 芯片内部有限流电路可以限制输出电流，还有过电流/短路保护。因此采用 S12 芯片后，不再需要自恢复保险丝。S12 芯片内部具有防静电（ESD）电路，可以承受 2KV 的静电放电。二、静电（ESD）保护设计人体以及一些物体很容易带大量的静电荷，当正负静电荷接触时，会产生放电现象，静 电电压很高，几百伏到十几千伏，放电电流很小。静电放电经过半导体电子设备时，会 击穿半导体器件，所以各类半导体设备都要预防静电放电。多数USB 设备是便携式设备，容易产生静电，带有静电的US

19、B 设备插入 USB 接口时容易发生静电放电，击毁计算机内的元件（芯片组）。所以芯片组（南桥）、USB 接口、USB 设备自身都要加防 ESD 电路和器件。USB 接口的数据线（D-和 D+ ）端加 ESD 保护器件，会提高计算机防庆典保护能力。一般在主板的每个 USB 接口附近会看到一颗 6 Pin 的小芯片，这颗芯片就是静电保护-+-L_L芯片。1、微星 P45 Platinum 的 ESD 保护设计图 7 :微星 P45-platinum的 USB 接口 ESD 保护图 8 : ESD 芯片的连接从图 8 可以看到 ESD 芯片 2/5 和 3/4 脚连接在南桥和 USB 接口的数据线之

20、间，平时 U SB 的数据通过 ESD 芯片在南桥的 USB 控制器和 USB 接口之间传输。当 USB 接口插入 带静电的 USB设备时，静电会在 ESD 芯片内对地放电，而保护南桥的 USB 控制器。2、其他品牌主板的 ESD 保护设计图 9 :其他品牌主板的 ESD 保护设计从图 9 可以看到左侧的主板没有 ESD 保护芯片，右侧的主板有 ESD 保护芯片四、微星 USB 接口供电和 ESD 保护设计应用到全系列主板前面以微星的 P45 Platinum 主板为例介绍了微星 USB 接口供电和 ESD 保护设计的先进性和特色。那么中端和低端的主板是不是也采用这种设计方案？可以说微星全系列

21、主 板都采用这种设计图 10 :微星 P45 Neo3-F 主板 USB 接口供电和 ESD 保护设计微星不愧获得“产业科技发展优等创新企业奖”OUSB供电转换短路静电保护芯片S12图 11 :微星 G43M2 主板 USB 接口供电和 ESD 保护设计五、小设计大品质进入 P45 时代，微星在 CPU 供电方面首先采用高效低耗的第2 代 DrMOS 芯片取代分离的 MOSEFT 设计，在节能和超频方面走在主板行业的前列。在一些不引人注意的地 方同样不断更新设计，采用世界上最新的技术设计主板。USB数据线静电保护芯片20JUS82VCC & 0tHJUSB3vcc A bf M0jJs

22、fei通用串行总线（UniversalSerialBus ）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

23、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 1A 时，Currentsense 输出高电平给过流保护电路（Currentlimit ）;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，Curre ntse nse 输出低电平，电荷泵正常工作。V图 1 USB 电源开关原理图3 电荷泵设计图 2 为一种自举型(SelfBooST )电荷泵的电路原理图。图中，为时钟信号

24、，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。图 2 自举电荷泵原理图自举电荷泵不需要为 MN2 和 M

25、P2 提供栅驱动电压，控制简单，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，1 和 2 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1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 1 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

26、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。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。图 3 改进后的电荷泵4 过流保护电路设计当出现过载和短路故障时，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。CHARGEPUMPNHVil4idkinccrn老却蠹就丸图 4 限流电路原理图N 型功率管

27、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负载电MP6* OUTMN7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 1A 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：0- I八X Ci+ I八X （ lerfans com电普咸掩甸）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：Q丨e卜从x aT二Tel.ecfans com 电孑霜烤直得功率管和限流管的电流关系:式中，VTP 和 VTN 分别是 P 型管和 N 型管阈值电压，M 为 N 型功率管的并联数。通过设置 NHV 和 MP6 宽长比、功率管的并联个数、电荷泵的时钟周期以