CN102591832B - 一种通用串行总线限流电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种通用串行总线限流电路，所述电路包括：获取电流单元，获取电压单元，比较单元，和开关单元；所述获取电流单元，用于通过电流镜像，获取流经USB电源线上的电流；所述获取电压单元，用于将获取的电流转换为对应的电压；所述比较单元，用于将转换获取的电压与预置电压比较大小；所述开关单元，用于根据比较大小的结果，控制通用串行总线的电源线的通断。该技术方案通过镜像获取流经USB电源线上的电流，并将电流转换为对应的电压值，通过比较转换获取的电压值与预置的电压值大小，控制USB接口上电源线路的通断，从而实现了限制流经USB电源线上电流，避免电流过大对主板等其它元器件的损伤。

Description

一种通用串行总线限流电路

技术领域

本发明电路领域，具体涉及一种通用串行总线限流电路。

背景技术

由于通用串行总线(USB，UniversalSerialBus)具有热拔插特性，因此USB接口很快成为电脑与外设的连接接口。随着电脑的普及，与电脑相关的外围设备更是不胜枚举，尤其对多媒体工作者和玩游戏的人而言，一台电脑主机就可能通过USB端口连接很多外围设备，而这些外围设备所需的工作电流又不尽相同。

目前电脑外围设备都是靠USB供电，USB协议规定USB端口电压为5V，最大输出电流为500毫安。但是当负载过重或者设备突然短路的情况下，USB上流经的电流超过额定值，损害USB端口，甚至引起主板故障。

现有技术中不能提供一种在负载过重或者设备突然短路的情况下，限制USB上流经的电流的技术方案，因此，损害USB端口，甚至引起主板故障。

发明内容

本发明实施例提供通用串行总线限流电路和方法，实现了对USB总线电流进行限制，从而保护了USB接口的安全。

本发明实施例提供了一种通用串行总线限流电路，所述电路包括：获取电流单元，获取电压单元，比较单元，和开关单元；

所述获取电流单元，用于通过电流镜像，获取流经USB电源线上的电流；

所述获取电压单元，用于将获取的电流转换为对应的电压；

所述比较单元，用于将转换获取的电压与预置电压比较大小；

所述开关单元，用于根据比较大小的结果，控制通用串行总线的电源线的通断。

优选的，所述电路还包括：

电流调整单元，用于根据镜像获取的电流，和USB电源线上实际流经的电流，调整使得镜像获取的电流与USB电源线上实际流经的电流成比例。

优选的，所述电路还包括：

获取预置电压单元，用于根据输入的控制电压，获取与控制电压对应的预置电压。

优选的，所述获取电流单元和开关单元，具体包括：P型MOS管MS、MP，其中，P型MOS管MS和MP的源极分别接到电源供给设备的USB电源线上，P型MOS管MS和MP的栅极分别与比较单元的输出端连接，P型MOS管MS的漏极与获取电压单元的输入端连接，P型MOS管MP的漏极接到USB外围设备的USB电源线上。

优选的，所述比较单元具体包括：放大器OP1，其正相输入端与获取电压单元的输出端连接，其反相输入端输入预置电压，放大器OP1的输出端为所述比较单元的输出端。

优选的，所述电流调整单元具体包括：放大器OP2和P型MOS管MF，其中，P型MOS管MS的漏极与放大器OP2的反相输入端连接，P型MOS管MP的漏极与放大器OP2的正相输入端连接，放大器OP2的输出端与P型MOS管MF的栅极连接，P型MOS管MF的源极与P型MOS管MS的漏极连接，P型MOS管MF的漏极与OP1的正相端连接。

优选的，所述获取电压单元具体包括：电阻RS，电阻RS的一端接地，另一端与P型MOS管MF的漏极连接。

优选的，所述获取预置电压单元，具体包括：

电阻R0、R1、R2，N型MOS管M1、M2，电流源I0；其中，电阻R0、R1、R2依次串联，电阻R0、R1、R2依次串联的支路连接于电流源I0和地之间；

N型MOS管M1的漏极与电流源I0输出端连接、源极分别与N型MOS管M2的漏极和电阻R1连接、栅极输入第一控制电压VR1；

N型MOS管M2的漏极与MOS管M1的源极连接、源极与电阻R2非接地的一端连接、栅极输入第二控制电压VR2。

本发明实施例中通过镜像获取流经USB电源线上的电流，并将电流转换为对应的电压值，通过比较转换获取的电压值与预置的电压值大小，控制USB接口上电源线路的通断，从而实现了限制流经USB电源线上电流，避免电流过大对主板等其它元器件的损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种通用串行总线限流电路示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种通用串行总线限流电路图；

图3是本发明实施例提供的一种通用串行总线限流方法流程简图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种通用串行总线限流电路和方法，可用于需要对USB总线电流工作范围进行选择和对USB总线电流进行限流的设备中，用户可以方便地对电流进行选择。本发明通过在空载下将晶体管MP完全导通，此时设备电源端与USB总线相连，设备可从USB总线抽取电流，即USB总线对设备进行供电。当设备从USB总线抽取的电流大于最大电流限定值时，通过正反馈环路输出的控制信号将晶体管MP关断，从而实现了对USB总线电流进行限制。通过开关来选择电阻的大小可以方便地改变USB总线输出电流的范围。本发明能用简单的电路很好地实现USB总线电流的范围的选择和限流功能；既节省成本，又能够提高可靠性，而且还可以减小电路的体积，尤其对于某些成本受限制的设备尤为重要。以下分别进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种通用串行总线限流电路，该电路包括：获取电流单元101、获取电压单元102、比较单元103、和开关单元104。

其中，获取电流单元101，用于通过电流镜像，获取流经USB电源线上的电流；

获取电压单元102，用于将获取的电流转换为对应的电压；

比较单元103，用于将转换获取的电压与预置电压比较大小；

开关单元104，用于根据比较单元103中比较大小的结果，控制USB电源线路的通断。

需要说明的是，获取电流单元101在实现获取USB电源线路上的电流时，在获取电流单元101中的部分元器件可以实现开关单元104的功能，可以认为在获取电流单元101中也实现了开关单元104。其中，上述获取电流单元101中的部分元器件可以是P型MOS管，当该P型MOS管的源极电压比栅极的电压低出MOS管的阈值电压时，该P型MOS管截止，相当于开关单元104断开；当该P型MOS管的源极电压比栅极的电压高出MOS管的阈值电压时，该P型MOS管导通，相当于开关单元104闭合。此处对于该P型MOS管的举例是便于理解本发明实施例子的说明，不应该理解为对本发明实施例的限制。

通过对图1所示的一种通用串行总线限流电路的说明，该电路通过获取流经USB电源线上的电流，并将电流转换为对应的电压值，通过比较转换获取的电压值与预置的电压值大小，控制USB接口上电源线路的通断，从而实现了限制流经USB上电流的大小，避免电流过大对主板等其它元器件的损伤。

为了保证获取电流单元101中获取的流经USB电源线上的电流大小的准确度，该USB限流电路还可以包括：

电流调整单元105，用于根据电流镜像获取的电流，和USB电源线上实际流经的电流，调整使得镜像获取的电流与USB电源线上实际流经的电流成比例。

本发明实施例提供的USB限流电路还针对限流范围不同的USB接口，进行相应的设计，具体体现在该USB限流电路还包括：获取预置电压单元106，通过获取预置电压单元106中获取不同取值的预置电压，从而控制从USB电源线上能够通过的电流的大小。

因此，获取预置电压单元106，用于根据输入的控制电压，获取与控制电压对应的预置电压。

通过增加获取预置电压单元106，使得该USB限流电路可以控制流经USB电源线上最大电流的取值范围，当预置电压不同，则最大可以通过USB电源线上的最大电流不同。

如图2所示为本发明实施例提供的另一种USB限流电路。该限流电路中，获取电流单元和开关单元可以具体包括：P型MOS管MS、MP，其中，P型MOS管MS和MP的源极分别接到电源供给设备的USB电源线上，P型MOS管MS和MP的栅极分别与比较单元的输出端连接，P型MOS管MS的漏极与获取电压单元的输入端连接，P型MOS管MP的漏极接到USB外围设备的USB电源线上；

还需要说明的是，P型MOS管MS和P型MOS管MP可以是具有相同的宽长比的，也可以是不同。当两种具有不同宽长比时，具体可以是MOS管MP的宽长比是MOS管MS的宽长比的N倍，则MOS管MS的漏极镜像获取的电流是USB电源线上实际流过电流的N分之一，即其中，IS为镜像获取的电流，IP为USB电源线上实际流过的电流。

获取电压单元可以具体包括：电阻RS，该电阻RS的一端接地，另一端与获取电流单元的输出单元中P型MOS管MF的漏极连接，其中，电阻RS两端的电压差可以理解为镜像获取的电流转换为电压，将P型MOS管MF的漏极与比较单元的输入端连接，可以理解为将转换获取的电压输入到比较单元；

比较单元可以具体包括：放大器OP1，其正相输入端与获取电压单元的输出端连接，其反相输入端输入预置电压；放大器OP1的输出端分别与P型MOS管的MS、MP的栅极连接。

通过上述对一种USB限流电路的说明，该电路中在P型MOS管的漏极可以镜像获取USB电源线上的电流，通过电阻RS将镜像获取的电流转换为电压，将该电压与预置电压进行比较，由比较结果控制P型MOS管MP的导通和截止，从而控制从电源供给设备的USB电源线到外围设备USB电源线上的电流的大小，以保证电源供给设备和外围设备的安全。

为了保证获取电流单元获取的取样电流更准确，该USB限流电路还可以包括电流调整单元，该单元具体可以包括：放大器OP2和P型MOS管MF，其中，MOS管MS的漏极与放大器OP2的反相输入端连接，MOS管MP的漏极与放大器OP2的正相输入端连接，放大器OP2的输出端与MOS管MF的栅极连接，MOS管MF的源极与MOS管MS的漏极连接，MOS管MF的漏极与OP1的正相端连接。

放大器OP2与MOS管MF形成负反馈电路，根据放大器OP2两个输入端虚短的原理，可知MOS管MS和MP的漏极电压相同，且MOS管MS和MP的栅极和源极的电压都相同，从而保证了镜像获取的电流的准确度。根据MOS管的电流电压(I/V)特性方程得到如下式(1)：

$I=\frac{1}{2}{\mathrm{\μC}}_{OX}\frac{W}{L}{(V_{GS}-V_T)}^2---\left(1\right)$

其中，μ是载流子迁移率；C_OX是单位面积的栅氧化层电容；V_T是MOS管阈值电压；

从上述对图2的说明可以得知：

当获取的电压VS小于预置电压V0时，放大器OP1输出低电平，P型MOS管MS和MP都导通；

当获取的电压VS大于预置电压V0时，放大器OP1输出高电平，P型MOS管MS和MP都截止，此时电源供给设备(例如：主板)的USB电源线上的电流超过了设定值，USB外围设备可能发生短路或者其他异常情况，需要停止给USB外围设备供电，保护USB端口和主板。

图2所示的USB限流电路还包括获取预置电压单元，具体包括：电阻R0、R1、R2，N型MOS管M1、M2，电流源I0；其中，电阻R0、R1、R2之间串联，电阻R0的一端与电流源I0输出端连接，另一端与电阻R1连接；电阻R1还与电阻R2串联；电阻R2的另一端接地；

N型MOS管M1的漏极与电流源I0输出端连接，其源极分别与N型MOS管M2的漏极和电阻R1连接，其栅极输入第一控制电压VR1；

N型MOS管M2的漏极与MOS管M1的源极连接，MOS管M2的源极与电阻R2非接地的一端连接，其栅极输入第二控制电压VR2。

该USB限流电路中，可以通过输入第一控制电压VR1、第二控制电压VR2的大小，控制N型MOS管M1和M2通断，从而确定预置电压V0的大小，可以间接控制流过USB电源线上电流的大小。其中，根据N型MOS管M1和M2通断，控制预置电压V0的范围包括如下情况：

(1)当VR2为低电平，VR1为低电平时，V0＝I0*(R0+R1+R2)；

需要理解的是，这里说是的高电平具体可以是电源电压，低电平可以是接地电压。

(2)当VR2为低电平，VR1为高电平时，V0＝I0*(R0+R2)；

(3)当VR2为高电平，VR1为低电平时，V0＝I0*(R1+R2)；

(4)当VR2为高电平，VR1为高电平时，V0＝I0*R2。

因此，当VR2为低电平，VR1为低电平时，此时的预置电压V0最高，镜像获取的电流最大，即：

$IS=\frac{V0}{RS}=\frac{10*(R0+R1+R2)}{RS}$

当MOS管MS的宽长比是MOS管MP的宽长比为N分之一，则镜像获取的电流IS是USB电源线上实际流过电流的N分之一，即：

$IS=\frac{IP}{N}$

所以USB电源线上供给外围设备的最大电流为：

$IP=N*IS=N*\frac{I0*(R0+R1+R2)}{RS}$

电阻R0、R1、R2的电阻值大小可以按照下面的方式选择：

R0＝2R1＝2R2＝2R

则上面式子可以写成如下：

R0＝2R1＝2R2＝2R

则上述(1)至(4)可以写成如下：

(a)当VR2为低电平，VR1为低电平时，V0＝4*I0*R

(b)当VR2为低电平，VR1为高电平时，V0＝3*I0*R；

(c)当VR2为高电平，VR1为低电平时，V0＝2*I0*R；

(d)当VR2为高电平，VR1为高电平时，V0＝I0*R。

因此，USB电源线上供给外围设备的最大电流可以有以下取值：

(1a)当VR2为低电平，VR1为低电平时，

(2b)当VR2为低电平，VR1为高电平时，

(3c)当VR2为高电平，VR1为低电平时，

(4d)当VR2为高电平，VR1为高电平时，

因此，通过控制输入N型MOS管M1、M2栅极的电压可以调节USB电源线上供给给外围设备的电流的最大值。

上述对图2的说明是便于理解本发明实施例的优选的举例，不应该理解为对本发明实施例的限制。

如图3所示，本发明实施例提供了一种通用串行总线限流方法，该方法包括：

步骤S1：通过电流镜像，获取流经USB电源线上的电流；

步骤S2：将获取的电流转换为对应的电压值；

步骤S3：将转换获取的电压值与预置的电压值比较大小；

步骤S4：根据上述比较大小的结果，控制USB电源线路的通断。

通过对图3所示的一种通用串行总线限流方法的说明，通过获取流经USB电源线上的电流，并将电流转换为对应的电压，通过比较转换获取的电压与预置电压大小，控制USB接口上电源线路的通断，从而实现了限制流经USB电源线上电流，避免电流过大对主板等其它元器件的损伤。

优选的，在步骤S1之后，步骤S2之前，该方法还可以包括：

步骤S5：根据电流镜像获取的电流，和USB电源线上实际流经的电流，调整使得镜像获取的电流与USB电源线上实际流经的电流成比例。

通过增加步骤S5确保镜像获取的电流大小的准确度。

优选的，该方法还可以包括：

步骤S6：根据输入的控制电压，获取与控制电压对应的预置电压。

通过增加步骤S6，通过获取不同取值的预置电压，从而控制从USB电源线上能够通过的电流的大小，其中，步骤S6未在图3中表示。

关于图3所示的方法的更多详细说明也可以参考图1、2中关于电路的说明，此处不重述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种通用串行总线限流电路，其特征在于，所述电路包括：获取电流单元，获取电压单元，比较单元，和开关单元；

所述获取电流单元，用于通过电流镜像，获取流经USB电源线上的电流；

所述获取电压单元，用于将获取的电流转换为对应的电压；

所述比较单元，用于将转换获取的电压与预置电压比较大小；

所述开关单元，用于根据比较大小的结果，控制通用串行总线的电源线的通断；

其中，所述获取电流单元和开关单元，具体包括：P型MOS管MS、MP，其中，P型MOS管MS和MP的源极分别接到电源供给设备的USB电源线上，P型MOS管MS和MP的栅极分别与比较单元的输出端连接，P型MOS管MS的漏极与获取电压单元的输入端连接，P型MOS管MP的漏极接到USB外围设备的USB电源线上。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：

电流调整单元，用于根据镜像获取的电流，和USB电源线上实际流经的电流，调整使得镜像获取的电流与USB电源线上实际流经的电流成比例。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：

获取预置电压单元，用于根据输入的控制电压，获取与控制电压对应的预置电压。

4.根据权利要求1、2或3任一项所述的电路，其特征在于，所述比较单元具体包括：放大器OP1，其正相输入端与获取电压单元的输出端连接，其反相输入端输入预置电压，放大器OP1的输出端为所述比较单元的输出端。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电流调整单元具体包括：放大器OP2和P型MOS管MF，其中，P型MOS管MS的漏极与放大器OP2的反相输入端连接，P型MOS管MP的漏极与放大器OP2的正相输入端连接，放大器OP2的输出端与P型MOS管MF的栅极连接，P型MOS管MF的源极与P型MOS管MS的漏极连接，P型MOS管MF的漏极与OP1的正相端连接。

6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述获取电压单元具体包括：电阻RS，电阻RS的一端接地，另一端与P型MOS管MF的漏极连接。

7.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述获取预置电压单元，具体包括：

电阻R0、R1、R2，N型MOS管M1、M2，电流源IO；其中，电阻R0、R1、R2依次串联，电阻R0、R1、R2依次串联的支路连接于电流源IO和地之间；

N型MOS管M1的漏极与电流源IO输出端连接、源极分别与N型MOS管M2的漏极和电阻R1连接、栅极输入第一控制电压VR1；

N型MOS管M2的漏极与MOS管M1的源极连接、源极与电阻R2非接地的一端连接、栅极输入第二控制电压VR2。