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USB接口可以直接輸出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。作為目前應用最為廣泛的移動外設與主機間通訊接口，US

2、B（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出電源的接口，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、 電路設計利用比較器并結合外圍電路，本文設計了一種可以自動探測U

3、SB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MOSFET，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通過電阻分壓來決定，Umid的值總是與VCC5V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?，?/p>

4、對MOS管中快恢復二極管加以利用，利用一個比較器便可以構成一個窗口比較器。如果VBUS上的電壓落在窗口之外（例如12V供電電壓或地電平），那么比較器輸出低電平，關斷供電線的MOS管。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UO，二極管D1和D2的電壓分別為UD1和UD2，可知：U- = （UmidUD1）R2/（R2+R3）；           

5、;                    （1）正常工作的情況下，U- < U+，UO為高電平，MOS管處于打開狀態(tài)。下面按照VBUS上電壓值的大小分兩種情況進行討論，分析其值為多大時將使比較器輸出發(fā)生反轉(zhuǎn)，關斷電源輸出。a、如果VBUS電壓大于5V， 因為二極管D2的反向截止作用，有：U+ =3.3V；        &

6、#160;                                           （2）又因為MN1和MN2中快恢復二極管的作用：VBUS=Umid； &#

7、160;                                                （3） 當U- >

8、U+ 時，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，即：（UmidUD1）R2/（R2+R3）> 3.3                                 （4）即：Umid > 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1    &#

9、160;                           （5）設此時VBUS的值為VBUSH，結合式（3）可得：VBUSH= 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1              

10、                    （6）即當VBUS大于3.3（R2+R3）/ R2 + UD1時，比較器便會將MOS管關斷。b、如果VBUS電壓小于3.3V，此時有：U+ = VBUS+UD2                 

11、60;                             （7）Umid = VCC5V                   

12、;                             （8）當U- > U+ 時，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，由式（1）、（4）、（7）、（8），設此時VBUS的值為VBUSL，有：VBUSL = （VCC5VUD1）R2/（R2+R3） UD2；     &#

13、160;           （9）即當VBUS小于（VCC5VUD1）R2/（R2+R3） UD2，比較器便會將MOS管關斷。假設比較的輸出電壓為UO，其電壓傳輸特性如圖2所示：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VCC5V和VBUS 隔離開來。電路中C1和C2的作用是維持

14、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VCC12V用于比較器的供電，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MOS管MN1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M

15、N3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/漏結構，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

16、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。  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(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

17、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.Since沒有反饋電阻，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+ /(

18、R1 + R2)的)×R2的。代入這個方程電路圖值，VREF = 6V。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。  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，是由某些因素放大。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，

19、易于匹配結果。儀表放大器具有更好的穩(wěn)定性，高共模抑制比(CMRR)，低失調(diào)電壓和高增益。微星科技榮獲某經(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+

20、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+5VSB。 USB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?，F(xiàn)在我們具體看看這三種切換方案。 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

21、S0/S1還是S3/S5狀態(tài)。 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。 圖4：MOSEFT切換+5V/+5VSB電路原理MOSEFT1用于+5V，MOSEFT1的道通控制極柵極連接+5V驅(qū)動信號

22、。MOSEFT2用于+5VSB，MOSEFT2的道通控制極柵極連接+5VSB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），MOSEFT2導通，+5VSB經(jīng)過MOSEFT加到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。

23、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專用芯片。 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通過S12給USB接口供電。EN信號可以開啟/關閉5V輸入。 S12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

24、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USB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

25、片就是靜電保護芯片。 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)線之間，平時USB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可以看到左側的主板沒有ESD保護芯片，右側的主板有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

26、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保護設計圖11：微星G43M2主板USB接口供電和ESD保護設計5、 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。 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”。 通用串行總線（Univer

27、salSerialBus）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

28、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，Currentsense輸出低電平，電荷泵正常工作。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，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

29、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MP2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

30、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?。在VPUMP電壓升高到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，負載電流達到數(shù)安培，需要精確的限流電路為功率管和輸入電源提供保護。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