新型的USB过压过流保护电路.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202020248060.6 (22)申请日 2020.03.03 (73)专利权人 深圳盈特创智能科技有限公司 地址 518055 广东省深圳市坪山区坪山街 道六联社区坪山大道2007号创新广场 B901、 B906 (72)发明人 吴进坤唐波董晓勇向杨 皮峰冉亚林罗鹏陈轲 毛巧运王义 (74)专利代理机构 深圳市精英专利事务所 44242 代理人 李翔宇 (51)Int.Cl. H02H 9/04(2006.01) (54)实用新型名称 一种新型的USB过压过流保护电路 (5。

2、7)摘要 本实用新型公开了一种新型的USB过压过流 保护电路， 包括用于对接入MCU的USB信号进行过 压保护的第一芯片， 与第一芯片连接的USB接口， 以及同时连接第一芯片电源端与USB接口电源端 并且用于实现过流保护的第二芯片； 本设计从根 本上实现了断电情况下的静电过压保护和正常 工作时的过压保护， 同时也实现了操作者插错信 号接口的过压保护； 本方案的电路实现了实时的 过流保护， 大大提高了系统的稳定性； 由于本方 案具有过压保护开关， 电路可以大大简化。 与传 统的分立式解决方案相比， 无论是在确保精密信 号链的出色开关性能方面， 还是在优化空间使用 率方面， 本方案都具有明显优势；。

3、 非长时间过压 的情况下， 多路通道没有关联作用， 可以独立实 现保护。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 211456690 U 2020.09.08 CN 211456690 U 1.一种新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 包括用于对接入MCU的USB信号进行 过压保护的第一芯片， 与第一芯片连接的USB接口， 以及同时连接第一芯片电源端与USB接 口电源端并且用于实现过流保护的第二芯片； 所述第一芯片的第一引脚连接有内置于芯片内的输入逻辑电路； 所述第一芯片的第二 引脚连接有内置于芯片内的开关电路， 所述第一芯片的第三引脚与第二引脚的开关电路之 间连接有内置于芯片内的。

4、缓冲器， 所述缓冲器的输出端与第三引脚连接； 所述输入逻辑电 路用于驱动开关电路闭合或断开； 当所述开关电路闭合， 所述第二引脚与第三引脚导通， 当 所述开关电路断开， 所述第二引脚与第三引脚断开连接； 所述第一芯片的第五引脚与第十三引脚之间连接有两个二极管， 所述缓冲器的一个输 出端连接于两个二极管之间的节点。 2.根据权利要求1所述的新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 所述第一芯片的 型号为ADG5412。 3.根据权利要求2所述的新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 所述第一芯片的 第三引脚连接有用于与MCU连接的DM信号接口端。 4.根据权利要求2所述的新型的USB过。

5、压过流保护电路， 其特征在于， 所述第一芯片的 第七引脚连接有用于与MCU连接的ID信号端， 所述ID信号端与第七引脚之间连接有第一电 阻， 所述第一电阻与第七引脚之间的节点通过第二电阻与第一芯片的第八引脚连接， 所述 第二电阻与第八引脚之间的节点连接有接地端。 5.根据权利要求2所述的新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 所述第一芯片的 第十引脚连接有用于与MCU连接的DP信号端。 6.根据权利要求2所述的新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 所述输入逻辑电 路包括与第一芯片的第一引脚连接的反相器， 以及与反相器连接的二极管。 7.根据权利要求1所述的新型的USB过压过流保护。

6、电路， 其特征在于， 所述第二芯片的 型号为TPS 2041BDBVRG4。 8.根据权利要求7所述的新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 所述第二芯片的 第三引脚连接有用于与MCU连接的过流检测端， 所述过流检测端与第三引脚之间的节点连 接有第三电阻， 所述第三电阻与第三引脚之间的节点与第四电阻的一端连接， 所述第四电 阻的另一端连接有输入电压。 9.根据权利要求7所述的新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 所述第二芯片的 第五引脚连接有用于与MCU连接的电流控制端， 所述电流控制端与第二芯片的第五引脚之 间的节点与第五电阻的一端连接， 所述第五电阻的另一端连接输入电压。 1。

7、0.根据权利要求1所述的新型的USB过压过流保护电路， 其特征在于， 所述USB接口的 金属外壳引脚连在一起， 并通过电容接地。 权利要求书 1/1 页 2 CN 211456690 U 2 一种新型的USB过压过流保护电路 技术领域 0001 本实用新型涉及保护系统技术领域， 尤其涉及一种新型的USB过压过流保护电路。 背景技术 0002 当前技术中， 在USB连接应用时， 对于电子系统的可靠性要求越来越高。 过压保护 是一个关键的设计考量因素， 因为要保护系统不受过压影响通常需要用到大量部件， 但是 这些附加的部件经常会对系统产生影响， 甚至烧坏MCU。 除此之外， 这些附加的部件会增加 。

8、额外的成本， 以及会进一步加剧空间限制问题。 为了解决上述问题， 在设计保护电路时， 传 统的解决方案往往需要在系统精度和保护等级之间做出妥协， 常见的简单设计方法是使用 外部保护二极管， 通常是瞬态电压抑制器(TVS)二极管， 安装在信号线和电源线或接地线之 间。 TVS二极管相当有用， 因为他们可以快速对瞬态的电压峰值作出反应。 但存在如下缺陷 0003 1、 如果不加以限制过压引起的泄漏电流， 则可能会损坏二极管； 0004 2、 这种类型的保护电路的缺点包括增加信号上升和下降时间以及电容效应,影响 数据传输； 0005 3、 当电路处于断电状态时， 不提供任何保护； 0006 4、 当。

9、用户插错信号线时， 比如将12v信号插到5V的USB信号线上会直接导致烧坏芯 片。 0007 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理 解， 而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有 技术。 0008 基于上述原因， 本申请人提出了一种新型的USB过压过流保护电路， 旨在解决上述 问题。 实用新型内容 0009 为了满足上述要求， 本实用新型的目的在于提供一种新型的USB过压过流保护电 路。 0010 为了实现上述目的， 本实用新型采用以下技术方案： 0011 一种新型的USB过压过流保护电路， 包括用于对接入MCU的USB信号进行。

10、过压保护 的第一芯片， 与第一芯片连接的USB接口， 以及同时连接第一芯片电源端与USB接口电源端 并且用于实现过流保护的第二芯片； 0012 所述第一芯片的第一引脚连接有内置于芯片内的输入逻辑电路； 所述第一芯片的 第二引脚连接有内置于芯片内的开关电路， 所述第一芯片的第三引脚与第二引脚的开关电 路之间连接有内置于芯片内的缓冲器， 所述缓冲器的输出端与第三引脚连接； 所述输入逻 辑电路用于驱动开关电路闭合或断开； 当所述开关电路闭合， 所述第二引脚与第三引脚导 通， 当所述开关电路断开， 所述第二引脚与第三引脚断开连接； 0013 所述第一芯片的第五引脚与第十三引脚之间连接有两个二极管， 所。

11、述缓冲器的一 说明书 1/5 页 3 CN 211456690 U 3 个输出端连接于两个二极管之间的节点。 0014 在一个可能的实施方式中， 所述第一芯片的型号为ADG5412。 0015 在一个可能的实施方式中， 所述第一芯片的第三引脚连接有用于与MCU连接的DM 信号接口端。 0016 在一个可能的实施方式中， 所述第一芯片的第七引脚连接有用于与MCU连接的ID 信号端， 所述ID信号端与第七引脚之间连接有第一电阻， 所述第一电阻与第七引脚之间的 节点通过第二电阻与第一芯片的第八引脚连接， 所述第二电阻与第八引脚之间的节点连接 有接地端。 0017 在一个可能的实施方式中， 所述第一芯。

12、片的第十引脚连接有用于与MCU连接的DP 信号端。 0018 在一个可能的实施方式中， 所述输入逻辑电路包括与第一芯片的第一引脚连接的 反相器， 以及与反相器连接的二极管。 0019 在一个可能的实施方式中， 所述第二芯片的型号为TPS2041BDBVRG4。 0020 在一个可能的实施方式中， 所述第二芯片的第三引脚连接有用于与MCU连接的过 流检测端， 所述过流检测端与第三引脚之间的节点连接有第三电阻， 所述第三电阻与第三 引脚之间的节点与第四电阻的一端连接， 所述第四电阻的另一端连接有输入电压。 0021 在一个可能的实施方式中， 所述第二芯片的第五引脚连接有用于与MCU连接的电 流控制。

13、端， 所述电流控制端与第二芯片的第五引脚之间的节点与第五电阻的一端连接， 所 述第五电阻的另一端连接输入电压。 0022 在一个可能的实施方式中， 所述USB接口的金属外壳引脚连在一起， 并通过电容接 地。 0023 相比于现有技术,本实用新型的有益效果在于： 0024 1)本设计从根本上实现了断电情况下的静电过压保护和正常工作时的过压保护， 同时也实现了操作者插错信号接口的过压保护； 0025 2)本方案的电路实现了实时的过流保护， 大大提高了系统的稳定性； 0026 3)由于本方案具有过压保护开关， 电路可以大大简化。 与传统的分立式解决方案 相比， 无论是在确保精密信号链的出色开关性能方。

14、面， 还是在优化空间使用率方面， 本方案 都具有明显优势； 0027 4)非长时间过压的情况下， 多路通道没有关联作用， 可以独立实现保护。 0028 下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。 附图说明 0029 图1是本实用新型一种新型的USB过压过流保护电路的具体实施例的电子电路连 接示意图。 具体实施方式 0030 下面将结合本实用新型实施例中的附图， 对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例， 而不是全部的 实施例。 基于本实用新型中的实施例， 本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获 说明书 2/5 页。

15、 4 CN 211456690 U 4 得的所有其他实施例， 都属于本实用新型保护的范围。 0031 在本实用新型的描述中， 需要理解的是， 术语 “中心” 、“纵向” 、“横向” 、“长度” 、“宽 度” 、“厚度” 、“上” 、“下” 、“前” 、“后” 、“左” 、“右” 、“竖直” 、“水平” 、“顶” 、“底”“内” 、“外” 、“顺 时针” 、“逆时针” 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系， 仅是为了便 于描述本实用新型和简化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方 位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本实用新型的限制。 0032 此外。

16、， 术语 “第一” 、“第二” 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。 由此， 限定有 “第一” 、“第二” 的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。 在本实用新型的描述中，“多个” 的含义是两个或两个 以上， 除非另有明确具体的限定。 0033 在本实用新型中， 除非另有明确的规定和限定， 术语 “安装” 、“相连” 、“连接” 、“固 定” 等术语应做广义理解， 例如， 可以是连接， 也可以是可拆卸连接， 或成一体； 可以是机械 连接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件 内部的连通。

17、或两个元件的相互作用关系。 对于本领域的普通技术人员而言， 可以根据具体 情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。 0034 在本实用新型中， 除非另有明确的规定和限定， 第一特征在第二特征之 “上” 或之 “下” 可以包括第一和第二特征直接接触， 也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通 过它们之间的另外的特征接触。 而且， 第一特征在第二特征 “之上” 、“上方” 和 “上面” 包括第 一特征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。 第一特 征在第二特征 “之下” 、“下方” 和 “下面” 包括第一特征在第二特征正下方和斜下方， 或仅仅 表示第一特征水平高度。

18、小于第二特征。 0035 在本说明书的描述中， 参考术语 “一个实施例” 、“一些实施例” 、“示例” 、“具体示 例” 、 或 “一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、 结构、 材料或者特 点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中， 对上述术语的示意性表 述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者 特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。 此外， 本领域的技术人 员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。 0036 如图1所示的连接关系示意图， 为本实用新型一种新型的USB过压。

19、过流保护电路， 包括用于对接入MCU的USB信号进行过压保护的第一芯片U1， 与第一芯片U1连接的USB接口， 以及同时连接第一芯片U1的电源端与USB接口的电源端并且用于实现过流保护的第二芯片 U2； 0037 所述第一芯片U1的第一引脚连接有内置于芯片内的输入逻辑电路； 所述第一芯片 U1的第二引脚连接有内置于芯片内的开关电路， 所述第一芯片U1的第三引脚与第二引脚的 开关电路之间连接有内置于芯片内的缓冲器， 所述缓冲器的输出端与第三引脚连接； 所述 输入逻辑电路用于驱动开关电路闭合或断开； 当所述开关电路闭合， 所述第二引脚与第三 引脚导通， 当所述开关电路断开， 所述第二引脚与第三引脚。

20、断开连接； 0038 所述第一芯片U1的第五引脚与第十三引脚之间连接有两个二极管， 所述缓冲器的 一个输出端连接于两个二极管之间的节点。 0039 作为一个可选的实施方式， 所述第一芯片U1的型号为ADG5412； 说明书 3/5 页 5 CN 211456690 U 5 0040 所述第一芯片U1的第三引脚连接有用于与MCU连接的DM信号接口端(MCU_DM)； 0041 所述第一芯片U1的第七引脚连接有用于与MCU连接的ID信号端(MCU_ID)， 所述ID 信号端(MCU_ID)与第七引脚之间连接有第一电阻R6， 所述第一电阻R6与第七引脚之间的节 点通过第二电阻R5与第一芯片U1的第八。

21、引脚连接， 所述第二电阻R5与第八引脚之间的节点 连接有接地端； 0042 所述第一芯片U1的第十引脚连接有用于与MCU连接的DP信号端(MCU-DP)； 所述输 入逻辑电路包括与第一芯片U1的第一引脚连接的反相器， 以及与反相器连接的二极管； 0043 具体地， U1方框内为器件的内部示意图， 以通道1为例， IN1为0即连接GND时， 开关 电路是闭合的(S1与D1导通)， 输入信号DM通过D1到S1进入MCU_DM； 0044 当系统有电的时候， VDD跟系统电压保持一致， 如果发生正瞬态电压脉冲过压， 电 流会通过D2流向VDD以箝位此正瞬态电压脉冲， 电压因此受限， 箝位电压等于VD。

22、D加上二极 管上的正向电压。 如果脉冲是负的， 并且小于VSS， 那么上述功能同样适用， 只是换作通过D1 钳位到VSS， 但当长时间过压时， 当电压长时间超过额定电压VCC时下游开关会自动打开， 输 入电压不再受箝位在电源轨道上的保护二极管限制， 而是由开关的最大额定电压限制， 也 就是说不会因为输入电压长时间过高损坏D1和D2。 0045 除此以外， 本方案的电路具备更高的系统可靠性， 不会对实际信号及其精度产生 影响。 0046 此外， 开关关断时泄漏电流非常低， 所以也不需要使用额外的限流电阻； 本方案的 电路功能可防止信号端子插错导致的烧坏芯片， 起到保护芯片的作用。 0047 通过。

23、上述原理， 本方案当系统未上电时(无VCC),开关电路断开， USB信号端口完全 被切断， 芯片被彻底保护， 也就是在非电状态下实现了过压保护功能。 0048 作为一个可选的实施方式， 所述第二芯片U2的型号为TPS2041BDBVRG4。 0049 进一步地， 所述第二芯片U2的第三引脚连接有用于与MCU连接的过流检测端(MCU- overcurrent)， 所述过流检测端(MCU-overcurrent)与第三引脚之间的节点连接有第三电 阻R2， 所述第三电阻R2与第三引脚之间的节点与第四电阻R1的一端连接， 所述第四电阻R1 的另一端连接有输入电压。 0050 进一步地， 所述第二芯片U。

24、2的第五引脚连接有用于与MCU连接的电流控制端(MCU_ EN)， 所述电流控制端(MCU_EN)与第二芯片的第五引脚之间的节点与第五电阻R3的一端连 接， 所述第五电阻R3的另一端连接输入电压。 0051 结合图1所示的连接关系， 可知USB5V可对外供电， 5V电源流经U2， 当MCU_EN使能打 开时， U2对外提供USB5V； 0052 MCU-overcurrent连接MCU， 当USB5V对外供电电流小于500MA时， MCU-overcurrent 为高电平， 当USB5V对外供电电流超过500MA时， MCU-overcurrent输出低电平， MCU检测到低 电平即视为过流，。

25、 关闭使能信号当MCU_EN， 切断USB5V输出， 从而实现过流保护。 0053 作为较佳的实施方式， 所述USB接口的金属外壳引脚连在一起， 并通过电容C6接 地， 起到静电屏蔽的作用。 0054 综上所述， 本实用新型介绍的新型的USB过压过流保护电路， 它是利用MCU的软件 控制结合硬件外围电路， 巧妙的同时实现了USB连接端口的过压和过流保护。 U1的核心作用 是通过内部的逻辑硬件提供对USB信号DM,DP,ID的过压保护， 经过低阻开关接入MCU， 在实 说明书 4/5 页 6 CN 211456690 U 6 现过压的同时确保精密信号链的出色传输性能； U2结合软件检测实现过流保。

26、护， 保证外接 的设备不会过度拉低USB端口提供的电源， 保证系统的稳定性， 整个系统从根本上解决三个 典型的问题： 0055 1、 实现了过流保护保证系统不会因为外接的大负载而导致过流产生系统复位； 0056 2、 防静电和防止尖峰电压， 主要是利用开关的逻辑特性， 解决了在系统没有电时 切断USB输入信号， 避免损害MCU,起到过压保护作用； 0057 3、 利用开关的电气性能， 当信号电压长时间高于额定电压时， 开关自动断开切断 输入信号实现防呆保护。 0058 在本实用新型所提供的几个实施例中， 应该理解到， 所揭露的模块， 可以通过其它 的方式实现。 例如， 以上所描述的模块实施例仅仅是示意性的。 例如， 各个模块的划分， 仅仅 为一种逻辑功能划分， 实际实现时可以有另外的划分方式。 例如一个以上模块或组件可以 结合或者可以集成到另一个系统， 或一些特征可以忽略， 或不执行。 0059 对本领域的技术人员来说， 可根据以上描述的技术方案以及构思， 做出其他各种 相应的改变以及形变， 而所有的这些改变以及形变应该属于本实用新型权利要求的保护范 围之内。 说明书 5/5 页 7 CN 211456690 U 7 图1 说明书附图 1/1 页 8 CN 211456690 U 8 。