usb保护电路图大全(USB控制器/转换器AD558/比较器)

沈丹 发表于 2018-05-11 10:35:48 收藏 已收藏
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usb保护电路图大全(USB控制器/转换器AD558/比较器)

沈丹 发表于 2018-05-11 10:35:48

usb保护电路图(一)

NUP4114UPXV6的特性及配置选择

NUP4114UPXV6是一款非常适合USB 2.0高速数据线路ESD保护的TVS二极管阵列。该器件具有0.8pF的极低电容(I/O线路与地之间的典型电容),能将USB 2.0高速数据线路中的信号衰减降至最低。该器件满足13 kV接触放电的系统级IEC61000-4-2标准,并能承受人体模型3B类(超过8 kV)和机器模型C类(超过400V)的CMOS器件级ESD额定脉冲,具有强固的ESD保护性能。此外,它采用SOT563封装,尺寸仅为1.6×1.6×0.55mm,非常适合计算机、手机、MP3播放器等应用中的USB2.0高速数据线路及其它高速应用的ESD保护。

NUP4114UPXV6能够保护多达4条数据线路,驱使瞬态过压达到钳位参考点,让应用免受瞬态过压条件影响。无论什么时候,只要受保护线路上的电压超过参考电压(Vf或VCC+Vf),器件中的控向(steering)二极管将正向偏置。这些二极管会迫使瞬态电流不经过敏感的CMOS芯片,而从其旁路流过。

在保护应用中,数据线路连接至这器件的引脚1、3、4和6。负参考连接至引脚2,且该引脚必须通过接地层(ground plane)直接连接至地,从而将印制电路板(PCB)的接地电感降至最低。为将寄生电感降至最低,尽可能缩短走线(trace)长度也非常重要。

NUP4114UPXV6有3种配置选择。配置选择1采用VCC作为参考,保护4条线路及电源(图1)。在这种配置中,引脚5直接连接至正电源输入端(VCC),数据线路以电源电压为参考。内部的TVS二极管防止电源输入端上出现过压。控向二极管的偏置可降低它们的电容。

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配置选择2采用偏置及电源隔离电阻来保护4条数据线路。该器件可在引脚5与VCC之间串联10kΩ电阻实现与电源隔离。这将在内部TVS及控向二极管上维持偏置,并降低它们的电容。

配置选择3采用内部TVS二极管作为参考来保护4条数据线路。在缺乏正电源参考的应用,或是需要完全隔离型电源的应用中,可以采用内部TVS作为参考。在这些应用中,引脚5不连接。采用这种配置时,只要受保护线路上的电压超过TVS工作电压与一个二极管压降的和(VC= Vf +VTVS)时,控向二极管导通。

利用NUP4114UPXV6保护USB 2.0高速数据应用

USB端口由4条线路组成,其中D+和D-用于双向数据传输,其余2条线路用于总线电压及接地。图2是NUP4114UPXV6为USB2.0高速数据应用提供ESD保护的电路图。

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USB控制器

如果发生ESD瞬态事件,器件中的控向二极管使瞬态电流避开受保护的IC,而集成的TVS器件将浪涌电流转移到地。TVS元件还会抑制电压总线(VBUS)上的ESD事件。NUP4114UPXV6通过这些方式保护USB 2.0高速数据线路应用中的敏感IC。

其它USB 2.0高速应用ESD保护方案

NUP4114UPXV6是一款集成型方案,用于保护2条USB 2.0高速数据线路。图2所示的USB 2.0应用不带识别(ID)线路。这类不带ID线路的USB 2.0应用除了可以采用NUP4114UPXV6之外,还可以采用集成型解决方案NUP2114。此外,这类应用中还可以采用不同的分立方案,比如搭配2颗ESD9L和1颗ESD9X,或者搭配1颗ESD7L和1颗ESD9X,或者搭配1颗最新的ESD11L和1颗ESD9X。

此外,在带ID线路的USB 2.0应用(见图3a)中,同样可以采用分立或集成ESD保护方案。比如搭配3颗ESD9L和1颗ESD9X作为分立ESD保护方案,或者采用单颗的NUP3115UP或NUP4114UP这样的集成方案,如图3所示。

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usb保护电路图(二)

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。

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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MOSFET,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通过电阻分压来决定,Umid的值总是与VCC5V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MOS管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上的电压落在窗口之外(例如12V供电电压或地电平),那么比较器输出低电平,关断供电线的MOS管。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:

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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。

为了安全起见,当系统探测到连接的外部设备不能识别,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。

usb保护电路图(三)

本系统采用USB 控制芯片PDIUSBD12 和D/A 转换器AD558 来实现DAC 控制。计算机可以通过USB 接口控制AD558 输出所需的各种模拟信号。由于计算机的USB 接口具有向外供电的功能,因此这里采用USB 接口的电源为PDIUSBD12 芯片供电。

AD558 的数据总线连接到PDIUSBD12.AD558 工作于0~+10V 模拟电压输出模式。电容C9 和C10 用于改善输出波形。AD558 采用单一的12V 供电,不需要外接基准电压源。数模转换部分的电路原理图如图3 所示。

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USB 接口中的D+和D-用于高速的USB 数据传输,因此这两根信号线直接影响USB接口电路的稳定性,在印制电路板布线的时候需要仔细布置。D+和D-的走线应尽可能短且相等,并且合理设置D+和D-的导线宽度和间距。D+和D-之间的差分阻抗应该为90W±10%.保证在D+和D-信号的下面是完整的GND 层。中间断开的GND 层将导致差分阻抗不匹配,并增加信号的干扰。

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