CN102567271A - 通用串行总线保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通用串行总线保护电路。所述电路包括V+线、接地线、D+线、D-线、第一可复位器件、第二可复位器件、加窗比较器、第一开关以及第二开关。V+线被配置成连接到通用串行总线（USB）线缆的V+连接。接地线被配置成连接到USB线缆的接地连接。D+线被配置成连接到USB线缆的D+连接。D-线被配置成连接到USB线缆的D-连接。第一可复位器件耦合到V+线并且把V+线链接到本地器件的V+。第二可复位器件耦合到接地线并且把接地线链接到本地器件的共同节点。加窗比较器具有耦合到共同节点的负输入以及耦合到接地线的正输入。第一开关耦合在D+线和本地器件的D+之间，并且由比较器的输出驱动。第二开关耦合在D-线和本地器件的D-之间，并且由比较器的输出驱动。

Description

通用串行总线保护电路
技术领域
本发明涉及一种用于防止对连接到通用串行总线（USB）线缆的损坏的电路。特别地，所述电路防止由于接地故障而造成的损坏。
背景技术
USB被用来将电子器件连接在一起，从而允许这些器件共享数据。所述电子器件可能会由于瞬态或接地故障而被损坏，这些瞬态或接地故障可能在器件连接时发生。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种通用串行总线（USB）保护电路。所述电路包括V+线、接地线、D+线、D-线、第一可复位器件（resettable device）、第二可复位器件、加窗比较器（windowing comparator）、第一开关以及第二开关。V+线被配置成连接到USB线缆的V+连接。接地线被配置成连接到USB线缆的接地连接。D+线被配置成连接到USB线缆的D+连接。D-线被配置成连接到USB线缆的D-连接。第一可复位器件耦合到V+线并且把V+线链接到本地器件的V+。第二可复位器件耦合到接地线并且把接地线链接到本地器件的公共节点。所述比较器具有耦合到所述公共节点的负输入以及耦合到接地线的正输入。第一开关耦合在D+线和本地器件的D+之间，并且由所述比较器的输出驱动。第二开关耦合在D-线和本地器件的D-之间，并且由所述比较器的输出驱动。
在另一个实施例中，本发明提供一种保护耦合到通用串行总线线缆的本地器件的方法。所述方法包括：当发生接地故障时，增加可复位器件的电阻，以便把本地器件的公共节点与接地线解耦；检测在所述公共节点与接地线之间的电压差；打开第一开关，以便把第一数据线与本地器件解耦；以及打开第二开关，以便把第二数据线与本地器件解耦。
通过考虑后面的详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是用于保护连接到通用串行总线的器件的电路的示意图。
图2是用于隔离USB接口的数据线的电路的实施例的示意图。
图3是加窗比较器的实施例的示意图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明的应用并不限于在下面的描述中阐述的或者在附图中图示的组件的构造和布局细节。本发明能够有其他实施例，并且能够按照各种方式来实践或实施。
下面的各个组件被描述为具有节点。这是为了使得描述更加清楚而不是意图进行限制。其他组件结构被设想到，这些组件结构包括具有引线的组件、表面安装组件、专用集成电路等等。
图1是用于保护器件或电路免受存在于USB接口处的瞬态和接地故障影响的电路100的示意图。下面的实例描述了USB 2.0接口；但是也设想到了其他USB实现方式。
电路100包括第一可复位器件105（例如由Tyco股份有限公司制造的#ASMD050F-2型自恢复保险丝（polyswitch）模型）、第二可复位器件110、第一开关115（例如光电耦合场效应晶体管）、第二开关120、第一静电放电（ESD）保护二极管125（例如齐纳二极管）、第二ESD二极管130以及比较器135。
电路100连接到标准USB线缆137。USB线缆137包括V+线140、USB GND线145、D+线150（第一数据连接）以及D-线155（第二数据连接），如业内公知的那样。这些线意图把本地器件通过USB连接器耦合到USB线缆，并且最终耦合到远程器件。电路100可以被合并到USB连接器中或者可以是本地器件的部分。
第一可复位器件105具有第一节点160和第二节点165。第一节点160耦合到V+线140。第二节点165充当用于与USB接口连接（interface）的电路的5伏特电源。
第二可复位器件110具有第一节点170和第二节点175。第一节点170耦合到USB GND线145。第二节点175耦合到用于与USB接口连接的电路的公共节点180。加窗比较器135的正输入185耦合到USB GND线145。加窗比较器135的负输入190耦合到公共节点180。
第一开关115具有耦合到D+线150的第一节点200、耦合到与USB接口连接的电路的D+线的第二节点205以及耦合到所述比较器的输出215的输入210。第二开关120具有耦合到D-线155的第一节点220、耦合到与USB接口连接的电路的D-线的第二节点225以及耦合到比较器135的输出215的输入230。
第一ESD二极管125具有耦合到与USB接口连接的电路的D+线的第一节点235以及耦合到公共节点180的第二节点240。第二ESD二极管130具有耦合到本地器件的D-线的第一节点245以及耦合到公共节点180的第二节点250。
在正常操作期间，在第一可复位器件105的第一和第二节点160与165之间以及在第二可复位器件110的第一和第二节点170与175之间的电压电平很小或者没有差异。当电压差很小或者没有电压差时，可复位器件105和110的电阻接近零欧姆。因此，加窗比较器135的输入185和190近似相等，并且比较器135的输出215是低的。所述低输出导致开关115和120闭合，从而把在D+和D-线150和155处的信号传播到本地器件。
如果发生接地故障，则在第二可复位器件110的第一节点170与第二节点175之间存在电压差。所述差导致第二可复位器件110的电阻显著增加（例如增加到数兆欧姆），从而实际上在USB GND线145与公共节点180之间产生开路。加窗比较器135检测到在输入185和190处的电压差，从而使得输出215为高。所述高输出打开开关115和120。结果，本地器件通过与USB GND、D+和D-线145、150和155隔离而被保护免受接地故障的影响。一旦所述接地故障被校正，第二可复位器件110的电阻就返回到接近零欧姆，从而去除在比较器135的输入185和190处的电压差。输出215返回到低，从而使开关115和120闭合，并且系统的操作返回正常。
如果在V+线140上发生故障，则在第一可复位器件105的第一和第二节点160与165之间将出现电压差。所述差导致第一可复位器件105的电阻显著增加（例如增加到数兆欧姆），从而将本地器件与V+线140隔离/保护所述本地器件不受V+线140影响。一旦所述故障被校正，第一可复位器件105的电阻就返回到接近零，并且系统的操作返回正常。
如果在D+和/或D-线150和155处出现大的瞬态电压，则（针对D+线150的）第一ESD二极管125和/或（针对D-线155的）第二ESD二极管130击穿，从而把（多个）线150和/或155短接到所述公共节点。因此，保护本地器件免受D+和D-连接器150和155上的瞬态电压的影响。所述ESD二极管还用来吸收电压浪涌，直到开关电路激活为止。
电路100可以被设计成在两倍预期电压下保护器件。举例来说，在汽车中，预期电压可能是27伏特，并且电路100可以被设计成保护高达54伏特。电路100保护免遭正和负电压偏移。电路100不要求用户干预（例如替换熔断器），因为所述可复位器件在错误状况消失时自动复位。在正常条件下（即没有故障存在），电路100对USB接口的操作没有影响（例如吞吐量和数据速率不受电路100的影响）。但是，当故障状况存在时，USB通信被中断。
图2是用于隔离USB接口的数据线的电路300的实施例的示意图。电路300是（类似于图1的电路100的）更大的电路的部分。
电路300包括第一光电耦合开关315（例如光电耦合场效应晶体管）、第二光电耦合开关320、第一驱动开关325、第二驱动开关330、第一静电放电（ESD）保护二极管125（例如齐纳二极管）、第二ESD二极管130以及加窗比较器135。
电路300连接到标准USB线缆137。USB线缆137包括D+线150（第一数据连接）以及D-线155（第二数据连接），如业内公知的那样。这些线意图把本地器件通过USB连接器耦合到USB线缆，并且最终耦合到远程器件。电路300可以被合并到USB连接器中或者可以是本地器件的部分。
第一光电耦合开关315具有耦合到D+线150的第一节点400、耦合到与USB接口连接的电路的D+线的第二节点405以及由第一驱动开关325驱动的输入410。第一驱动开关325由比较器135的输出215驱动。第二光电耦合开关320具有耦合到D-线155的第一节点420、耦合到与USB接口连接的电路的D-线的第二节点425以及由第二驱动开关330驱动的输入430。第二驱动开关330也由比较器135的输出215驱动。
电路300类似于前面描述的电路100工作。但是，第一和第二光电耦合开关315和320在故障发生时提供比电路100的开关更高程度的隔离。
图3是用于驱动电路100和300的开关电路的加窗比较器350的替换实施例的示意图。在所示实施例中，加窗比较器350由USB的V+线140通过第一可复位器件105驱动。加窗比较器350每当故障状况发生时驱动这些开关，从而导致存在大的正或负电压。
在另一个实施例中，本发明通过引入另一个开关元件以代替第一可复位器件来提供针对V+线的保护。这种方法提供了比仅利用可复位器件所能得到的电压保护更高的电压保护。
在另一个实施例中，本发明使用在本地接地与来自USB接口的V+信号之间的电压差作为对于加窗比较器的一个输入，并且将由从本地电源得到的参考电压作为另一个输入。这个实施例在加窗比较器上只要求正电源。
在所附权利要求书中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (17)

1.一种通用串行总线（USB）保护电路，所述电路包括：
被配置成连接到USB线缆的V+连接的V+线；
被配置成连接到USB线缆的接地连接的接地线；
被配置成连接到USB线缆的D+连接的D+线；
被配置成连接到USB线缆的D-连接的D-线；
第一可复位器件，所述第一可复位器件被耦合到V+线并且把V+线链接到本地器件的V+；
第二可复位器件，所述第二可复位器件被耦合到接地线并且把接地线链接到本地器件的公共节点；
加窗比较器，所述加窗比较器具有耦合到所述公共节点的负输入和耦合到接地线的正输入；
耦合在D+线和本地器件的D+之间的第一开关，所述第一开关由比较器的输出驱动；以及
耦合在D-线和本地器件的D-之间的第二开关，所述第二开关由比较器的输出驱动。
2.权利要求1的电路，其还包括耦合在本地器件的D+和所述公共节点之间的第一静电放电保护二极管以及耦合在本地器件的D-和所述公共节点之间的第二静电放电保护二极管。
3.权利要求1的电路，其中，接地故障导致第二可复位器件的电阻增加，从而导致所述加窗比较器的输出把第一和第二开关驱动到打开状态。
4.权利要求3的电路，其中，当接地故障被去除时，第二可复位器件的电阻返回到接近零欧姆。
5.权利要求1的电路，其中，故障导致第一可复位器件的电阻增加。
6.权利要求5的电路，其中，当故障被去除时，第一可复位器件的电阻返回到接近零欧姆。
7.权利要求1的电路，其中，当不存在故障时，USB通信的吞吐量和数据速率不受第一和第二可复位器件以及第一和第二开关的影响。
8.一种保护耦合到通用串行总线线缆的本地器件的方法，所述方法包括：
当发生接地故障时增加可复位器件的电阻，以便把本地器件的公共节点与接地线解耦；
检测在所述公共节点与接地线之间的电压差；
打开第一开关，从而把第一数据线与本地器件解耦；以及
打开第二开关，从而把第二数据线与本地器件解耦。
9.权利要求8的方法，其还包括：当故障状况被去除时，减小所述可复位器件的电阻，从而把本地器件的公共节点耦合到接地线；检测在所述公共节点与接地线之间的电压差的缺失；闭合第一开关，从而把第一数据线耦合到本地器件；以及闭合第二开关，从而把第二数据线耦合到本地器件。
10.一种通用串行总线（USB）保护电路，所述电路包括：
被配置成连接到USB线缆的V+连接的V+线；
被配置成连接到USB线缆的接地连接的接地线；
被配置成连接到USB线缆的D+连接的D+线；
被配置成连接到USB线缆的D-连接的D-线；
第一可复位器件，所述第一可复位器件被耦合到V+线并且把V+线链接到本地器件的V+；
第二可复位器件，所述第二可复位器件被耦合到接地线并且把接地线链接到本地器件的公共节点；
耦合到第一可复位器件的加窗比较器；
耦合在D+线和本地器件的D+之间的第一开关，所述第一开关由比较器的输出驱动；以及
耦合在D-线和本地器件的D-之间的第二开关，所述第二开关由比较器的输出驱动。
11.权利要求10的电路，其还包括耦合在本地器件的D+和所述公共节点之间的第一静电放电保护二极管以及耦合在本地器件的D-和所述公共节点之间的第二静电放电保护二极管。
12.权利要求10的电路，其中，接地故障导致第二可复位器件的电阻增加，从而导致加窗比较器的输出把第一和第二开关驱动到打开状态。
13.权利要求12的电路，其中，当接地故障被去除时，第二可复位器件的电阻返回到接近零欧姆。
14.权利要求10的电路，其中，故障导致第一可复位器件的电阻增加。
15.权利要求14的电路，其中，当故障被去除时，第一可复位器件的电阻返回到接近零欧姆。
16.权利要求10的电路，其中，当不存在故障时，USB通信的吞吐量和数据速率不受第一和第二可复位器件以及第一和第二开关的影响。
17.权利要求10的电路，其中，第一和第二开关是光电耦合FET。
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