中心論題：
- 保護電路的設(shè)計
- 保護電路的功能論證
解決方案：
- 利用比較器并結(jié)合外圍電路
- 設(shè)計在短路故障發(fā)生時自動切斷電源供應(yīng)的保護電路
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(shè)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。
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)計時便要保證故障發(fā)生率盡量低。作為目前應(yīng)用最為廣泛的移動外設(shè)與主機間通訊接口，USB（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(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)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(shè)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(yīng)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。
電路設(shè)計
利用比較器并結(jié)合外圍電路，本文設(shè)計了一種可以自動探測USB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(yīng)的保護電路。另外，如果探測到聯(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斷開電源供應(yīng)，并自動根據(jù)設(shè)備的連接狀態(tài)實現(xiàn)對電源供應(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?，并對MOS管中快恢復(fù)二極管加以利用，利用一個比較器便可以構(gòu)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(guān)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。
功能論證
假設(shè)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- = （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(guān)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； （2）
又因為MN1和MN2中快恢復(fù)二極管的作用：VBUS=Umid； （3）
當U- > U+ 時，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VBUS的值為VBUSH，結(jié)合式（3）可得：
VBUSH= 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （6）
即當VBUS大于3.3（R2+R3）/ R2 + UD1時，比較器便會將MOS管關(guān)斷。
b、如果VBUS電壓小于3.3V，此時有：
U+ = VBUS+UD2 （7）
Umid = VCC5V （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(shè)此時VBUS的值為VBUSL，有：
VBUSL = （VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2； （9）
即當VBUS小于（VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2，比較器便會將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比較器來構(gòu)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(guān)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(shè)置為高于3.3V，因為對于一些功耗較大的USB設(shè)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(shè)備不能識別，或是屬于不支持的設(shè)備時，系統(tǒng)要關(guān)斷USB的電力供應(yīng)。此時，CPU可以通過打開MN3將比較器的輸出拉低，關(guān)斷MN1和MN2。這種情況下，外設(shè)的電源電路將會作為一個負載與R4和D2串聯(lián)組成一個回路。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均是開集/漏結(jié)構(gòu)，具有線與功能，所以此時系統(tǒng)CPU可以關(guān)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(shè)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(fù)正常。
上述電路的功能在實際應(yīng)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(fù)位。
