USB電路保護圖..

1、車載 ECU 的安全性能要求很高，在電氣、物理、化學等各方面，各大汽車廠商通常都有自己嚴格的標準。 一般情況下，車載 ECU 的外部接口都要有各種故障保護電路，其中最重要的莫過于對車載12V 電源或?qū)Φ匕l(fā)生短路時的保護電路。由于USE 接口可以直接輸岀 5 伏電源，所以短路保護顯得尤為重要。本文設計的保護電路可以實現(xiàn)對 USB 電源輸出線的有效保護， 無論 USB 電源輸出線 VBUS 發(fā)生對 12V 電源還是對 地短路，均不影響車載 ECU 內(nèi)部電路的正常工作，實現(xiàn)了本質(zhì)安全級的短路保護。1、 前言為了保證行車安全，車載 ECU 的安全性能要求很高，在設計時便要保證故障發(fā)生率盡量低。作為目前

2、應用最為廣泛的移動外設與主機間通訊接口，USB( Universal Serial Bus )具有成本低、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點，在車載娛樂和存儲設備上獲得了廣泛的應用。因為USB 接口提供了內(nèi)置電源，可提供 500mA 以上的電流，對于一些功率較大的設備，如移動硬盤等，其瞬時驅(qū)動電流則可達 到 1A 以上。如果車載ECU上帶有像 USB總線這種可以直接輸岀電源的接口， 為防止接口電路發(fā)生對電源 或?qū)Φ囟搪窌r損壞機體，其接口部分通常都應具有保護電路，以便執(zhí)行故障自診斷和保護功能。當系統(tǒng) 產(chǎn)生故障時，它能在存儲體中自動記錄故障代碼并采用保護措施，防止系統(tǒng)損壞，避免引起安全事故。2

3、、 電路設計利用比較器并結(jié)合外圍電路，本文設計了一種可以自動探測USB 電源輸出線是否發(fā)了對 12V 電源或地短路，并且可以在短路故障發(fā)生時自動切斷電源供應的保護電路。另外，如果探測到聯(lián)接設備不在支 持的 USB 設備之列，系統(tǒng)也可以借助本電路主動斷開電源供應，并自動根據(jù)設備的連接狀態(tài)實現(xiàn)對電源 供應的控制。具體電路如圖 1 所示。圖 1 USB VBUS 短路保護電路圖中 MN1 和 MN2 是 USB 電源通道上的兩個 MOSFE，用于控制 5 伏電源的輸出，它們的 G 端都連接到 比較器的輸出端上。比較器的正端電位值受3.3 伏和 VBUS 共同影響，負端電位值由 Umid 通過電阻分壓

4、來決定，Umid 的值總是與 VCC5X 和 VBUS 中的大者相同。本充分發(fā)揮二極管的正向?qū)ê头聪蚪刂沟淖饔茫?并對MOSf 中快恢復二極管加以利用，利用一個比較器便可以構(gòu)成一個窗口比較器。如果VBUS的電壓落在窗口之外(例如 12V 供電電壓或地電平)，那么比較器輸岀低電平，關斷供電線的MOSf。這樣既使 12V 電壓無法進入系統(tǒng)內(nèi)部，也防止了系統(tǒng)5V 供電因為對地短路而發(fā)生過流，起到了保護系統(tǒng)不受短路侵擾的作用。3、功能論證假設比較器的兩個輸入端電位分別為U+和 U-，輸出電位為 UQ 二極管 D1 和 D2 的電壓分別為 UD1和 UD2 可知：U- =( Umid UDD R2/(

5、R2+R3 ；(1)正常工作的情況下，U- U+時，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，即：(Umid UD1 R2/ ( R2+R3 3.3(4)即: Umid 3.3(R2+R3 / R2 +UD1(5)設此時 VBUS 的值為 VBUSH 結(jié)合式(3)可得：VBUSH= 3.3 (R2+R3 / R2 +UD1(6)即當 VBUS 大于 3.3 (R2+R3 / R2 + UD1 時，比較器便會將 MOSf 關斷。b、如果 VBUS 電壓小于 3.3V，此時有：U+ =VBUS+UD2(7 )Umid =VCC5V(8)當 U- U+時，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，由式(1)、( 4)、( 7)、( 8

6、)，設此時 VBUS 的值為VBUSL 有:VBUSL = ( VCC5 UD1) R2/ ( R2+R3 UD2;(9 )即當 VBUS 小于(VCC5 UD1 R2/ ( R2+R3 UD2，比較器便會將 MOSf 關斷。假設比較的輸岀電壓為 UQ 其電壓傳輸特性如圖 2 所示：芝圖 2電壓傳輸特性由上述討論可知， 圖 1 所示電路可以僅用一個比較器來構(gòu)成閾值可調(diào)的窗口比較器，實現(xiàn)了對 USB 供電電路的有效保護。當 VBUS 上連入的電壓大于 VBUSH 或小于 VBUSL 時，比較器的輸出將變?yōu)榈碗娖剑P斷 MOS 管 MN1 和 MN2 將系統(tǒng)電源 VCC5X 和 VBUS 隔離開來

7、。電路中 C1 和 C2 的作用是維 持比較器輸入端電壓瞬時不變，另外，電路使用了三路幅值不同的電源，其中 VCC12V1 于比較器的供電，目的是在 VBUS 發(fā)生對電源短路時，防止比較器的負端輸入電壓大于其供電電壓，同時也是為了能夠充分 打開 MOSfMN1 和 MN2 VCC3.3V 用作比較器正端參考電壓， 不建議將正端參考電壓設置為高于 3.3V，因 為對于一些功耗較大的 USB 設備，其連接的瞬間會將 VBUS 拉低。這期間 VBUS 的值將會位于 3.3V 與 5V 之間，如果此時正端的參考電壓大于3.3V，比較器會有發(fā)生誤動作的風險。為了安全起見，當系統(tǒng)探測到連接的外部設備不能識

8、別，或是屬于不支持的設備時， 系統(tǒng)要關斷 USB的電力供應。此時，CPU 可以通過打開 MN3 將比較器的輸出拉低，關斷 MN1 和 MN2 這種情況下，外設的 電源電路將會作為一個負載與R4 和 D2 串聯(lián)組成一個回路。由于外設電源電路的輸入電阻很低，比較器同相端的將處于較低電位的狀態(tài)，從而產(chǎn)生正反饋效應，促使比較器也輸出低電位。由于比較器和MN3均是開集/漏結(jié)構(gòu)，具有線與功能，所以此時系統(tǒng) CPU 可以關斷 MN3 通過比較器繼續(xù)維持 UO 的低電平狀 態(tài)。只有外部設備斷開后，比較器的正端輸入電位變高，VBUS 的供電線路才會恢復正常。上述電路的功能在實際應用中得到了驗證。利用這個電路，當

9、VBUS 與 12V 電源或地發(fā)生短路時，系統(tǒng)內(nèi)的 5V 電源絲毫不受影響，即不會發(fā)生電壓倒灌的現(xiàn)象也不會被拉低引起系統(tǒng)復位電壓比較器電路。電壓比較器是比較兩個電壓和開關輸出或高或低的狀態(tài)，取決于電壓較高的電路。一個基于運放電壓比較器上顯示。圖1 顯示了一個電壓比較器的反相模式圖顯示了在非反相模式下的電壓比較。R2Fig 1Nun invertingcomparatorv+電壓比較器非反相比較在非反相比較器的參考電壓施加到反相輸入電壓進行比較適用于非反相輸入。每當進行比較的電壓(Vin)以上的參考電壓進入運放的輸出擺幅積極飽和度(V +)，和副反之亦然。實際上發(fā)生了什么是VIN 和 Vref(

10、VIN - VREF)之間的差異，將是一個積極的價值和由運放放大到無窮大。由于沒有反饋電阻Rf,運放是在開環(huán)模式，所以電壓增益(AV)將接近無窮。+ 所以最大的可能值，即輸出電壓擺幅，V。請記住公式 AV = 1 +(Rf/R1)。當 VIN 低于 VREF 反向發(fā)生。反相比較在相比較的情況下，參考電壓施加到非反相輸入和電壓進行比較適用于反相輸入。每當輸入電壓(Vin)高于 VREF 運放的輸出擺幅負飽和。倒在這里，兩個電壓(VIN-VREF)之間的差異和由運放放大到無窮大。記住公式AV = -Rf/R1 。在反相模式下的電壓增益的計算公式是 AV = -Rf/R1.S ince沒有反饋電阻，

11、增益將接近無窮，輸出電壓將盡可能 即負，V-。實際電壓比較器電路一種實用的非基于 UA741 運放的反相比較器如下所示。這里使用R1 和 R2 組成的分壓器網(wǎng)絡設置參考電壓。該方程是VREF =(五 + /(R1 + R2)的)XR2 的。代入這個方程電路圖值，VREF = 6 匕當 VIN 高于 6V,輸出擺幅？+12 V 直流，反之亦然。從 A + / - 12V 直流雙電源供電電路。+ 12V DC電壓比較器的使用 741 一些其他的運放，你可能會感興趣的相關電路1 求和放大器：總結(jié)放大器可以用來找到一個信號給定數(shù)量的代數(shù)和。2。 集成使用運放：對于一個集成的電路，輸出信號將輸入信號的積

12、分。例如，一 個集成的正弦波使余弦波，方波一體化為三角波等。3。反相放大器：在一個反相放大器，輸出信號將輸入信號的倒版，是由某些因素放4。儀表放大器：這是一個類型的差分放大器輸入額外的緩沖階段。輸入阻抗高，易(CMRR)低失調(diào)電壓和高增微星科技榮獲臺灣經(jīng)濟部“產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展優(yōu)等創(chuàng)新企業(yè)獎”， 作為 IT(V+)+12VDC苣32IC1UA741.vout大。于匹配結(jié)果。儀表放大器具有更好的穩(wěn)定性，高共模抑制比、人益。4.7K斗Vin行業(yè)板卡一線大 廠來說，板卡研發(fā)確實不斷創(chuàng)新。就拿主板上的 USB 接口供電和 ESD 保護來說，微星 科技就采用當前最新的技術設計和最新的元件。一、各種 USB 接

13、口供電設計依據(jù) ACPI 標準的要求，USB 接口要采用 2 路供電，一路是+5V 供電，一路是+5VSB 供電。當系統(tǒng)在 ACPI 的 S0 （系統(tǒng)正常運行）/S1 （ CPU 休眠）二種狀態(tài)時，USB 接 口由電源供應器的+5V 供電。當系統(tǒng)在 ACPI 的 S3（休眠到內(nèi)存）/S5（系統(tǒng)關閉待機） 狀態(tài)時，USB 接口由電源供應器的+5VSB 供電。這里涉及到 2 路供電的切換，就是說 系統(tǒng)從 S0/S1/S2 轉(zhuǎn)換為S3/S4/S5 狀態(tài)時，USB 接口的供電要從+5V 切換到+5VSBUSB 供電的切換設計方案目前有三種：手動跳線切換，MOSEFT 切換和專用芯片切換。現(xiàn)在我們具體看

14、看這三種切換方案。1、手動跳線切換圖 1 :跳線切換+5V/+5VSB 實例上圖是某品牌高端 P45 主板的前置 USB 接口，采用跳線切換+5V 和+5VSB ,主板上帶 有跳線設置說明。當用戶需要使用USB 設備（例如鍵鼠）從 S3 休眠狀態(tài)下喚醒時，這個 USB 設備連接在哪個 USB 接口就要把這個接口的跳線設置在2-3。設置跳線后該 USB 接口就一直由+5VSB 供電，無論系統(tǒng)處于 S0/S1 還是 S3/S5 狀態(tài)。過電流和短路保護采用保險絲+5V和十5VSB供電切換跳線圖 2 :跳線切換+5V/+5VSB 電路原理這種方案的好處是節(jié)省成本，廠家的利潤多一點。缺點是喚醒設備只能使

15、用跳線設置的USB 接口，不靈活，會給用戶帶來不便。供電電路的過電流和短路保護采用自恢復保險絲。當USB 設備出現(xiàn)故障導致電流增大或短路時，保險絲切斷供電，保護供電電路不被過電流燒毀。2、MOSEFT 切換圖 3 : MOSEFT 切換 +5V/+5VSB 實例上圖是另一品牌高端 P45 主板的前置 USB 接口，采用 2 顆 MOSEFT 切換。切換原理參見下圖MOSEFT切換+5V/+5VSB保險絲 過電流和 短路保護MOSEFT1 用于+5V , MOSEFT1 的道通控制極一柵極連接 +5V 驅(qū)動信號。M0SEFT2 用于+5VSB，MOSEFT2 的道通控制極一柵極連接 +5VSB

16、驅(qū)動信號。當系統(tǒng)處于 S0/S1 狀態(tài)時，+5V 驅(qū)動信號為高電平（+5VSB 驅(qū)動信號是低電平），MOSEFT1 導通,+5V 經(jīng)過 MOSEFT 加到 USB 接口。當系統(tǒng)處于 S3/S5 狀態(tài)時，+5VSB 驅(qū)動信號為高電平（+5V 驅(qū)動信號是低電平）， M0SEFT2 導通，+5VSB 經(jīng)過 MOSEFT 力口到 USB接口這種方案的優(yōu)點是可以通過 BIOS 設置依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)切換 USB 接口的供電來源。比跳線切換方便。供電電路的過電流和短路保護也是采用自恢復保險絲。當USB 設備出現(xiàn)故障導致電流增大或短路時，保險絲切斷供電，保護供電電路不被過電流燒毀。SVCCfjloJjMOSEFT

17、1MOSEFT15V5V南橋南橋MOSEFT2南橋-圖 4 : MOSEFT 切換+5V/+5VSB 電路原理MOSEFT2旳橋3、專用芯片切換圖 5 :采用專用芯片切換 +5V/+5VSB 的微星 P45-platinum跳線切換和 MOSEFT 切換是早期的 USB 接口供電方案，微星采用最新的技術成果一專 用芯片。5Vcx輸入o- - 5如輸入c-I圖 6 : S12 專用芯片原理S12 芯片內(nèi)部有切換邏輯電路，配合S3#信號狀態(tài)，在+5V 和+5VSB 之間切換，當系統(tǒng)處于 S0/S1 模式時，+5V 通過 S12 給 USB 接口供電。當系統(tǒng)處于 S3/S5 模式時，由+5VSB 通

18、過 S12 給 USB 接口供電。EN 信號可以開啟/關閉 5V 輸入5Z輸出|-o-=p接南橋:USB接11vD-D+GS12 芯片內(nèi)部有限流電路可以限制輸出電流，還有過電流/短路保護。因此采用 S12 芯片后，不再需要自恢復保險絲。S12 芯片內(nèi)部具有防靜電（ESD）電路，可以承受 2KV 的靜電放電。二、靜電（ESD）保護設計人體以及一些物體很容易帶大量的靜電荷，當正負靜電荷接觸時，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，靜 電電壓很高，幾百伏到十幾千伏，放電電流很小。靜電放電經(jīng)過半導體電子設備時，會 擊穿半導體器件，所以各類半導體設備都要預防靜電放電。多數(shù)USB 設備是便攜式設備，容易產(chǎn)生靜電，帶有靜電的US

19、B 設備插入 USB 接口時容易發(fā)生靜電放電，擊毀計算機內(nèi)的元件（芯片組）。所以芯片組（南橋）、USB 接口、USB 設備自身都要加防 ESD 電路和器件。USB 接口的數(shù)據(jù)線（D-和 D+ ）端加 ESD 保護器件，會提高計算機防慶典保護能力。一般在主板的每個 USB 接口附近會看到一顆 6 Pin 的小芯片，這顆芯片就是靜電保護-+-L_L芯片。1、微星 P45 Platinum 的 ESD 保護設計圖 7 :微星 P45-platinum的 USB 接口 ESD 保護圖 8 : ESD 芯片的連接從圖 8 可以看到 ESD 芯片 2/5 和 3/4 腳連接在南橋和 USB 接口的數(shù)據(jù)線之

20、間，平時 U SB 的數(shù)據(jù)通過 ESD 芯片在南橋的 USB 控制器和 USB 接口之間傳輸。當 USB 接口插入 帶靜電的 USB設備時，靜電會在 ESD 芯片內(nèi)對地放電，而保護南橋的 USB 控制器。2、其他品牌主板的 ESD 保護設計圖 9 :其他品牌主板的 ESD 保護設計從圖 9 可以看到左側(cè)的主板沒有 ESD 保護芯片，右側(cè)的主板有 ESD 保護芯片四、微星 USB 接口供電和 ESD 保護設計應用到全系列主板前面以微星的 P45 Platinum 主板為例介紹了微星 USB 接口供電和 ESD 保護設計的先進性和特色。那么中端和低端的主板是不是也采用這種設計方案？可以說微星全系列

21、主 板都采用這種設計圖 10 :微星 P45 Neo3-F 主板 USB 接口供電和 ESD 保護設計微星不愧獲得“產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展優(yōu)等創(chuàng)新企業(yè)獎”O(jiān)USB供電轉(zhuǎn)換短路靜電保護芯片S12圖 11 :微星 G43M2 主板 USB 接口供電和 ESD 保護設計五、小設計大品質(zhì)進入 P45 時代，微星在 CPU 供電方面首先采用高效低耗的第2 代 DrMOS 芯片取代分離的 MOSEFT 設計，在節(jié)能和超頻方面走在主板行業(yè)的前列。在一些不引人注意的地 方同樣不斷更新設計，采用世界上最新的技術設計主板。USB數(shù)據(jù)線靜電保護芯片20JUS82VCC & 0tHJUSB3vcc A bf M0jJs

22、fei通用串行總線（UniversalSerialBus ）使 PC 機與外部設備的連接變得簡單而迅速，隨著計算 機以及與USB 相關便攜式設備的發(fā)展，USB 必將獲得更廣泛的應用。由于USB 具有即插即用的特點，在負載出現(xiàn)異常的瞬間，電源開關會流過數(shù)安培的電流，從而對電路造成損壞。本文設計的 USB 電源開關采用自舉電荷泵， 為 N 型功率管提供 2 倍于電源的柵驅(qū)動電 壓。在負載出現(xiàn)異常時，過流保護電路能迅速限制功率管電流，以避免熱插拔對電路造成損壞。2 USB 開關電路的整體設計思路圖 1 為 USB 電源開關的整體設計。其中，VIN 為電源輸入，VOUT 為 USB 的輸出。在負載正常

23、的情況下，由電荷泵產(chǎn)生足夠高的柵驅(qū)動電壓，使NHV1 工作在深線性區(qū)，以降低從輸入電源（VIN ）到負載電壓（VOUT ）的導通損耗。當功率管電流高于 1A 時，Currentsense 輸出高電平給過流保護電路（Currentlimit ）;過流保護電路通過反饋負載電壓給電荷泵，調(diào) 節(jié)電荷泵輸出（VPUMP ），從而使功率管的工作狀態(tài)由線性區(qū)變?yōu)轱柡蛥^(qū)，限制功率管電 流，達到保護功率管的目的。當負載恢復正常后，Curre ntse nse 輸出低電平，電荷泵正常工作。V圖 1 USB 電源開關原理圖3 電荷泵設計圖 2 為一種自舉型(SelfBooST )電荷泵的電路原理圖。圖中，為時鐘信號

24、，控制電荷 泵工作。初始階段電容，C1 和功率管柵電容 CGAte 上的電荷均為零。當為低電平時，MP1導通，為 C1 充電，V1電位升至電源電位，V2 電位增加，MP2 管導通。假設柵電容遠大于 電容 C1，V2 上的電荷全部轉(zhuǎn)移到柵電容CGATE 上。當為高電平時， MN1 導通，為 C1 左極板放電，V1 電位下降至地電位，V2 電位下降，MP2 管截止，MN2 管導通，給電容 C1右極板充電至 VIN。在的下個低電平時，V1 電位升至電源電位，V2 電位增加至 2VIN , MP2 管導通，VPUMP 電位升至 2VIN-VT。圖 2 自舉電荷泵原理圖自舉電荷泵不需要為 MN2 和 M

25、P2 提供柵驅(qū)動電壓，控制簡單，但輸出電壓會有一個 閾值損失。圖 3 是改進后的電荷泵電路圖，1 和 2 為互補無交疊時鐘。 由 MN2、MN5、MP3、 MP2 和電容 C2組成的次電荷泵為 MN4、MP4 提供柵壓，以保證其完全關斷和開啟。當1為低電平時， MP1 導通， 電位增加， 此時，V3 電位為零， MP4 導通， V2 上的電荷轉(zhuǎn)移到 柵電容 CGATE上，VPUMP 電位升高。當 1 為高電平時，MP2 導通，為 C2 充電，V4 電位 上升至電源電位，V3 電位隨之上升，MP3 導通，VPUMP 電位繼續(xù)升高。MN3 相當于二極 管，起單向?qū)щ姷淖饔谩Ｔ?VPUMP 電壓升高

26、到 VIN+VT 以后，MN3 隔離 V3 到電源的通路，保證 V3 的電荷由 MP3 全部充入柵電容。這樣， C1 和 C2 相互給柵電容充電，若干個時鐘周期后，電荷泵輸 出電壓接近兩倍電源電壓。在電荷泵輸出電壓升高的過程中，功率管提供的負載電流逐漸上升，避免在容性負載上引起浪涌電流。圖 3 改進后的電荷泵4 過流保護電路設計當出現(xiàn)過載和短路故障時，電源提供保護。對于 MOS 器件，只有工作在飽和區(qū)時的電流容易控制。限流就是通過反饋 負載電壓，調(diào)節(jié)電荷泵輸出電壓來實現(xiàn)的。圖4 是限流電路的原理圖。CHARGEPUMPNHVil4idkinccrn老卻蠹就丸圖 4 限流電路原理圖N 型功率管

27、NHV 的源與 P 型限流管 MP6 的柵相接，N 型功率管 NHV 的柵與 P 型限流 管 MP6負載電MP6* OUTMN7的源相接。從而達到控制功率管柵源壓降的目的。當負載電流超過 1A 時，電流限信號（VLIMIT ）為高電平，MN7 導通，柵電荷經(jīng) MP6流向地，柵電壓減小，功率管工作在飽和區(qū)。C1、C2 為電荷泵電容值，在一個時鐘周期 T內(nèi)，由電荷泵充入的柵電荷為：0- I八X Ci+ I八X （ lerfans com電普咸掩甸）當功率管柵壓穩(wěn)定時， 電荷泵充入的柵電荷等于限流管放掉的柵電荷。限流管泄放電流為：Q丨e卜從x aT二Tel.ecfans com 電孑霜烤直得功率管和限流管的電流關系:式中，VTP 和 VTN 分別是 P 型管和 N 型管閾值電壓，M 為 N 型功率管的并聯(lián)數(shù)。通過設置 NHV 和 MP6 寬長比、功率管的并聯(lián)個數(shù)、電荷泵的時鐘周期以