车载ECU中USB接口电路供电保护设计

车载ECU中USB接口电路供电保护设计

1、 前言

图1  USB VBUS短路保护电路

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UO，二极管D1和D2的电压分别为UD1和UD2，可知：

U- = （Umid—UD1）R2/（R2+R3）；                               （1）

正常工作的情况下，U- < U+，UO为高电平，MOS管处于打开状态。下面按照VBUS上电压值的大小分两种情况进行讨论，分析其值为多大时将使比较器输出发生反转，关断电源输出。

a、如果VBUS电压大于5V， 因为二极管D2的反向截止作用，有：

U+ =3.3V；                                                    （2）

又因为MN1和MN2中快恢复二极管的作用：VBUS=Umid；                                                  （3）

当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MOS管关断。

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），设此时VBUS的值为VBUSL，有：

VBUSL = （VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2；                 （9）

即当VBUS小于（VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2，比较器便会将MOS管关断。

假设比较的输出电压为UO，其电压传输特性如图2所示：

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VCC5V和VBUS 隔离开来。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VCC12V用于比较器的供电，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MOS管MN1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。

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

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