中心論題：
- 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
- 保護(hù)電路的功能論證
解決方案：
- 利用比較器并結(jié)合外圍電路
- 設(shè)計(jì)在短路故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)切斷電源供應(yīng)的保護(hù)電路
車載ECU的安全性能要求很高，在電氣、物理、化學(xué)等各方面，各大汽車廠商通常都有自己嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，車載ECU的外部接口都要有各種故障保護(hù)電路，其中最重要的莫過(guò)于對(duì)車載12V電源或?qū)Φ匕l(fā)生短路時(shí)的保護(hù)電路。由于USB接口可以直接輸出5伏電源，所以短路保護(hù)顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)的保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)USB電源輸出線的有效保護(hù)，無(wú)論USB電源輸出線VBUS發(fā)生對(duì)12V電源還是對(duì)地短路，均不影響車載ECU內(nèi)部電路的正常工作，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全級(jí)的短路保護(hù)。
前言
為了保證行車安全，車載ECU的安全性能要求很高，在設(shè)計(jì)時(shí)便要保證故障發(fā)生率盡量低。作為目前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)外設(shè)與主機(jī)間通訊接口，USB（Universal Serial Bus）具有成本低、使用簡(jiǎn)單、支持即插即用、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，在車載娛樂(lè)和存儲(chǔ)設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)閁SB接口提供了內(nèi)置電源，可提供 500mA以上的電流，對(duì)于一些功率較大的設(shè)備，如移動(dòng)硬盤等，其瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流則可達(dá)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(duì)電源或?qū)Φ囟搪窌r(shí)損壞機(jī)體，其接口部分通常都應(yīng)具有保護(hù)電路，以便執(zhí)行故障自診斷和保護(hù)功能。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，它能在存儲(chǔ)體中自動(dòng)記錄故障代碼并采用保護(hù)措施，防止系統(tǒng)損壞，避免引起安全事故。
電路設(shè)計(jì)
利用比較器并結(jié)合外圍電路，本文設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)探測(cè)USB電源輸出線是否發(fā)了對(duì)12V電源或地短路，并且可以在短路故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)切斷電源供應(yīng)的保護(hù)電路。另外，如果探測(cè)到聯(lián)接設(shè)備不在支持的USB設(shè)備之列，系統(tǒng)也可以借助本電路主動(dòng)斷開(kāi)電源供應(yīng)，并自動(dòng)根據(jù)設(shè)備的連接狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源供應(yīng)的控制。具體電路如圖1所示。
圖1 USB VBUS短路保護(hù)電路
圖中MN1和MN2是USB電源通道上的兩個(gè)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(fù)端電位值由Umid通過(guò)電阻分壓來(lái)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头聪蚪刂沟淖饔茫?duì)MOS管中快恢復(fù)二極管加以利用，利用一個(gè)比較器便可以構(gòu)成一個(gè)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(guān)斷供電線的MOS管。這樣既使12V電壓無(wú)法進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，也防止了系統(tǒng)5V供電因?yàn)閷?duì)地短路而發(fā)生過(guò)流，起到了保護(hù)系統(tǒng)不受短路侵?jǐn)_的作用。
功能論證
假設(shè)比較器的兩個(gè)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- = （Umid—UD1）R2/（R2+R3）； （1）
正常工作的情況下，U- < U+，UO為高電平，MOS管處于打開(kāi)狀態(tài)。下面按照VBUS上電壓值的大小分兩種情況進(jìn)行討論，分析其值為多大時(shí)將使比較器輸出發(fā)生反轉(zhuǎn)，關(guān)斷電源輸出。
a、如果VBUS電壓大于5V， 因?yàn)槎O管D2的反向截止作用，有：
U+ =3.3V； （2）
又因?yàn)镸N1和MN2中快恢復(fù)二極管的作用：VBUS=Umid； （3）
當(dāng)U- > U+ 時(shí)，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(shè)此時(shí)VBUS的值為VBUSH，結(jié)合式（3）可得：
VBUSH= 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （6）
即當(dāng)VBUS大于3.3（R2+R3）/ R2 + UD1時(shí)，比較器便會(huì)將MOS管關(guān)斷。
b、如果VBUS電壓小于3.3V，此時(shí)有：
U+ = VBUS+UD2 （7）
Umid = VCC5V （8）
當(dāng)U- > U+ 時(shí)，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，由式（1）、（4）、（7）、（8），設(shè)此時(shí)VBUS的值為VBUSL，有：
VBUSL = （VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2； （9）
即當(dāng)VBUS小于（VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2，比較器便會(huì)將MOS管關(guān)斷。
假設(shè)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(gè)比較器來(lái)構(gòu)成閾值可調(diào)的窗口比較器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)USB供電電路的有效保護(hù)。當(dāng)VBUS上連入的電壓大于 VBUSH或小于VBUSL時(shí)，比較器的輸出將變?yōu)榈碗娖剑P(guān)斷MOS管MN1和MN2，將系統(tǒng)電源VCC5V和VBUS 隔離開(kāi)來(lái)。電路中C1和C2的作用是維持比較器輸入端電壓瞬時(shí)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(duì)電源短路時(shí)，防止比較器的負(fù)端輸入電壓大于其供電電壓，同時(shí)也是為了能夠充分打開(kāi)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(shè)置為高于3.3V，因?yàn)閷?duì)于一些功耗較大的USB設(shè)備，其連接的瞬間會(huì)將VBUS拉低。這期間VBUS的值將會(huì)位于3.3V與5V之間，如果此時(shí)正端的參考電壓大于3.3V，比較器會(huì)有發(fā)生誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。
為了安全起見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到連接的外部設(shè)備不能識(shí)別，或是屬于不支持的設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)要關(guān)斷USB的電力供應(yīng)。此時(shí)，CPU可以通過(guò)打開(kāi)MN3將比較器的輸出拉低，關(guān)斷MN1和MN2。這種情況下，外設(shè)的電源電路將會(huì)作為一個(gè)負(fù)載與R4和D2串聯(lián)組成一個(gè)回路。由于外設(shè)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(yīng)，促使比較器也輸出低電位。由于比較器和MN3均是開(kāi)集/漏結(jié)構(gòu)，具有線與功能，所以此時(shí)系統(tǒng)CPU可以關(guān)斷MN3，通過(guò)比較器繼續(xù)維持UO的低電平狀態(tài)。只有外部設(shè)備斷開(kāi)后，比較器的正端輸入電位變高，VBUS的供電線路才會(huì)恢復(fù)正常。
上述電路的功能在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。利用這個(gè)電路，當(dāng)VBUS與12V電源或地發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的5V電源絲毫不受影響，即不會(huì)發(fā)生電壓倒灌的現(xiàn)象也不會(huì)被拉低引起系統(tǒng)復(fù)位。
