CN104135148A - 一种usb接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种USB接口电路，包括USB接头、电源共模滤波模块、信号共模滤波模块、电源差模滤波模块、信号差模滤波模块以及静电保护模块，可以消除电路中电源线、信号线上的共模干扰、差膜干扰、静电干扰等，尤其是增设的电源共模滤波模块可以消除电源VBUS和工作地GND之间的共模干扰问题，电路所占体积小、成本低，对静电放电ESD及电磁干扰EMI的防护效果都很好，使得USB信号不再失真，确保产品顺利通过USB认证和EMC认证，实用性强。此外本发明的还可以通过高压保护模块和高频滤波模块消除电路中的高电压信号干扰和高频信号干扰，进一步提高USB接口电路的抗干扰能力，提高其信号传输性能。

Description

一种USB接口电路

技术领域

本发明涉及USB接口技术领域，尤其涉及一种USB接口电路。

背景技术

由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，USB总线技术应运而生。USB(Universal Serial Bus)翻译为中文就是通用串行总线，是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，特点是速度快、兼容性好、不占中断、可以串接、支持热插拔等，它支持各种PC与扫描仪，数码相机，数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等外设之间的连接，还可实现数字多媒体集成。

USB信号传输电缆通常是双绞屏蔽地，其内部包含3对USB信号线和1对电源线，在传输通道上的输入电压值为4.07-5.25V,传输的最大电流约为900mA.USB接口的传输速率很高，像USB2.0最大的传输速率为480Mbit/s，USB3.0的传输速率更是10倍USB2.0的传输速率。并且USB3.0已经渐渐投入市场，必将是未来发展的趋势。随着传输速率的增大，如何提高USB信号的传输质量，减小电磁干扰EMI和静电放电ESD成为USB接口电路设计的关键。

请参考图1，现有技术的一种USB接口电路中，电源线VBUS上串联一个电感或者磁珠L1，同时设置并联电容C3、C4；同时，USB数据差分线对D-、D+上串联一个共模扼流圈L2，由此有效的减少电磁干扰EMI。同时设置ESD保护器件D1、D2、D3，分别并联在电路中的USB数据差分线对D-、D+、电源线、工作地线和大地或金属外壳(屏蔽层)之间，以进行静电放电ESD防护。该电路可以很好的减小电磁干扰EMI和静电放电ESD。

但是，很多智能电子设备，例如穿戴产品、游戏手柄等，都需要通过USB接口由主机供电且与主机进行通讯，这种方式要求电子设备工作时需要满足USB认证和EMC认证，USB接口电路的设计是否能够使得USB认证和EMC认证成功显得至关重要。然而图1所示的电路中，一方面其接地线路没有进行隔离设计，导致工作地GND和输出地直接导通，只要外面有高压，就会直接进入设备的内部电路，造成机器损坏，而在PCB布线时绝缘间距不够不能满足行业要求，耐压达不到要求；另一方面，二极管D1、D2、D3动作时间是ps级，而电感L1动作时间是μs级，在雷击状态下，二极管D3将在电感L1之前动作，但因为二极管D3耐流太小，易被击穿，电感L1失去保护作用，以致缺少共模或差模滤波保护电路，导致最终很难达到理想的效果。因此，目前的典型USB接口电路使得电子设备在通过USB认证和EMC认证时存在很大风险，USB信号容易失真，USB认证和EMC认证容易失败。

其中，电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。EMC一般包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。因此EMC包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部分，所谓EMI电磁干扰为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS电磁耐受性是指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

因此，需要一种新的USB接口电路，以避免上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种USB接口电路，能够避免电源线和工作地之间的信号干扰，使得USB信号不失真，确保产品顺利通过USB认证和EMC认证。

为解决上述问题，本发明提供一种USB接口电路，包括：USB接头、电源共模滤波模块、信号共模滤波模块、电源差模滤波模块、信号差模滤波模块以及静电保护模块；其中，

所述电源共模滤波模块的输入端连接所述USB接头的电源端子和工作地端子，用于滤除电源线路和工作地线路上的共模干扰信号；

所述电源差模滤波模块连接所述电源共模滤波模块的输出端，用于滤除电源线路上的差模干扰信号；

所述信号共模滤波模块的输入端连接所述USB接头的差分信号线两端子，用于滤除差分信号线路上的共模干扰信号；

所述信号差模滤波模块连接所述信号共模滤波模块的输出端，用于滤除差分信号线路上的差模干扰信号；

所述静电保护模块一端接USB接头的屏蔽地，一端接在所述电源线路和所述差分信号线路上，用于消除电源线路和差分信号线路上的静电干扰信号。

进一步的，所述电源共模滤波模块包括输入端连接所述USB接头的电源端子和工作地端子的共模电感。

进一步的，所述电源差模滤波模块包括滤波电感、滤波电容、LC滤波电路和RC滤波电路中的至少一种。

进一步的，所述信号共模滤波模块包括输入端连接所述USB接头的差分信号线两端子的共模电感。

进一步的，所述信号差模滤波模块包括滤波电感、滤波电容、LC滤波电路和RC滤波电路中的至少一种。

进一步的，所述静电保护模块包括放电二极管或者静电保护芯片。

进一步的，所述USB接口电路还包括高压保护模块，所述高压保护模块的一端接USB接头的屏蔽地，一端接在所述工作地线路、电源线路和所述差分信号线路上，用于消除工作地线路、电源线路和差分信号线路上的高压干扰信号。

进一步的，所述高压保护模块包括四个压敏电阻，四个压敏电阻的一端均接USB接头的屏蔽地，另一端分别接在所述工作地线路、电源线路和所述差分信号线路上。

进一步的，所述USB接口电路还包括高频滤波模块，所述高频滤波模块设置USB接头与电源共模滤波模块、信号共模滤波模块之间，用于滤除电源线路和差分信号线路上的高频信号干扰。

进一步的，所述高频滤波模块包括分别串联在USB接头的电源端子、工作地端子和电源共模滤波模块的输入端之间的两个滤波电感以及分别串联在所述USB接头的差分信号两端子和信号共模滤波模块的输入端之间的两个滤波电感。

与现有技术相比，本发明的USB接口电路，包括USB接头、电源共模滤波模块、信号共模滤波模块、电源差模滤波模块、信号差模滤波模块以及静电保护模块，可以消除电路中电源线、信号线上的共模干扰、差膜干扰、静电干扰等，尤其是增设的电源共模滤波模块可以消除电源VBUS和工作地GND之间的共模干扰问题，使得USB信号不再失真，确保产品顺利通过USB认证和EMC认证。

附图说明

图1是现有技术中一种USB接口电路示意图；

图2是本发明实施例一的USB接口电路系统模块示意图；

图3是本发明实施例一的USB接口电路一种具体结构示意图；

图4是本发明实施例二的USB接口电路系统模块示意图；

图5是本发明实施例二的USB接口电路一种具体结构示意图；

图6是本发明实施例三的USB接口电路系统模块示意图；

图7是本发明实施例三的USB接口电路一种具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应认为只是局限在所述的实施例。

实施例一

请参考图2，本实施例提供一种USB接口电路，包括：USB接头1、电源共模滤波模块2、信号共模滤波模块5、电源差模滤波模块3、信号差模滤波模块6以及静电保护模块4以及接地模块7；其中，所述电源共模滤波模块2的输入端连接所述USB接头的电源端子VBUS和工作地端子GND，用于滤除电源线路和工作地线路上的共模干扰信号；所述电源差模滤波模块3连接所述电源共模滤波模块2的输出端，用于滤除电源线路上的差模干扰信号；所述信号共模滤波模块5的输入端连接所述USB接头的差分信号线两端子D-、D+，用于滤除差分信号线路上的共模干扰信号；所述信号差模滤波模块6连接所述信号共模滤波模块5的输出端，用于滤除差分信号线路上的差模干扰信号；所述静电保护模块4一端接USB接头1的屏蔽地，一端接在所述电源线路和所述差分信号线路上，用于消除电源线路和差分信号线路上的静电干扰信号。接地模块7一端连接USB接头的屏蔽地、一端连接电子设备的电路主板PCB的地或者大地，用于USB接头的屏蔽地线路和电子设备的电路主板PCB板的地单点接地。

请参考图3，当USB接口中带有电源信号，对电源信号需要进行滤波处理。本实施例中设置的电源共模滤波模块2和电源差膜滤波模块3一方面将工作地GND和PCB板的地PGND进行了有效隔离，以及对PCB板等效地进行了绝缘间距调整，使得工作地GND和PCB板的地PGND间接导通，从而抑制了电子设备外面存在的高压直接进入电子设备PCB板的内部而损坏IC的问题，提高了电子设备的耐压能力；另一方面，可以保护静电保护模块中的瞬态二极管D1不被击穿，起到静电保护的作用，从而减小电子设备在通过USB认证和EMC认证时的风险。其中，所述电源共模滤波模块2包括共模电感L2，所述电源差模滤波模块3包括滤波电感L1和两个并联电容C1、C2，其中L2的两个输入端连接所述USB接头的电源端子VBUS和工作地端子GND，两个输出端一端接地，另一端串接滤波电感L1，L1的输出端引出将USB接口电路接入电子设备PCB的电源接口VBUS，C1、C2的一端接L1的输出端，另一一端接地(实质上可以看做是将电源VBUS间接地连接到GND上)。L2对输入的共模干扰电压进行钳位，可以滤除电源和地上的共模干扰信号，L1、C1、C2组成的LCC滤波电路对输入的差模干扰电压进行钳位和泄放，可以用于滤除电源上差模信号干扰。其中，L1为4.7μH电感(例如FBMA11160808601T)，C1、C2分别是2.2μF、100nF小电容。对于共模电感L2的选择，应主要考虑共模电感L2(共模扼流圈)的差摸寄生电感对高速USB信号的影响，如果寄生差摸电感太大，就会对USB信号产生衰减，影响USB接口的工作性能，本实施例中，共模电感L2为CM22012MCIN121T。

请继续参考图3，本实施例中，信号共模滤波模块5包括共模电感L3，信号差模滤波模块6包括两个RC滤波电路；其中L2的两个输入端连接所述USB接头的差分信号端子D-和差分信号端子D+，两个输出端分别串接电阻R1、R2，电阻R1的输出端引出将USB接口电路接入电子设备PCB的差分信号输入端D-，电阻R2的输出端引出将USB接口电路接入电子设备PCB的差分信号输入端D+；同时，电阻R1的输出端还连接一接地电容C4，电阻R2的输出端还连接另一接地电容C3，R1、C4组成信号差模滤波模块6的一个RC滤波电路，R2、C3组成信号差模滤波模块6的另一个RC滤波电路，(两个RC滤波电路实质上可以看做是将两个差分信号端子间接地连接到GND上)。L3可以滤除差分信号线上的共模干扰信号，两个RC滤波电路可以滤除差分信号线上的差模干扰信号。其中为了防止USB信号失真，顺利通过USB认证，电阻R1、R2优选的采用小容值的压敏电阻，例如是22欧姆的小电阻，并接的接地电容C1、C2优选为小电容，例如是2.2μF、100nF。对于共模电感L3的选择，应主要考虑共模电感L3(共模扼流圈)的差摸寄生电感对高速USB信号的影响，如果寄生差摸电感太大，就会对USB信号产生衰减，影响USB接口的工作性能。本实施例中，共模电感L3为CM22012MCIN121T。

由于USB接口具有可热插拔性，USB接口很容易因人为因素而导致静电损坏器件，比如死机、复位等，更严重的会烧坏电子设备的PCB板。因此，需要加入防ESD的保护器件。本实施例中，静电保护模块4作为防ESD保护器件，主要是寄生电容非常小的器件，可以设置在差模干扰信号滤除之后的电路中，也可以设置在共模信号干扰滤除之前的电路中(请参考图6和图7)，请继续参考图3，本实施例中，静电保护模块4设置在差模干扰信号滤除之后的电路中，包括瞬态二极管(TVS管)D1、D2、D3。其中D1的一端连接L1的输出端，将经过电源差膜滤波模块钳位后的剩余的残压进行泄放，用于将电源线上的静电干扰导入屏蔽地线，由此来消除电源线上的静电干扰；D2两端分别接在屏蔽地SHLD线(即屏蔽地SHLD与PCB板的地的连接线路，屏蔽地SHLD一般是电子设备外壳位置)和电阻R1的输出端之间，D3的两端分别接在屏蔽地SHLD线和电阻R2的输出端之间，将经过信号差膜滤波模块钳位后的剩余的残压进行泄放，用于将差分信号线上的静电干扰导入屏蔽地线，由此来消除差分信号线上的静电干扰。其中D1、D2、D3可以为TVS-BV05C。

请继续参考图3，本实施例中，接地模块7为0欧姆电阻R3，采用0欧姆电阻可以使得屏蔽地和PCB板的地单点接地，以防SHILD和PCB的地这两个地由于串联而产生共地阻抗的电路性耦合，同时使得差分信号线的地与GND和SHLD相绝缘，防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰。

本实施例的USB接口电路，在USB接头与电子设备的PCB之间设置了电源共模滤波模块、信号共模滤波模块、电源差模滤波模块、信号差模滤波模块以及静电保护模块；由此可以消除电源线路、差分信号线路、工作地线路上的共模干扰、差模干扰以及静电干扰，使得USB信号不再失真，确保产品顺利通过USB认证和EMC认证。

实施例二

请参考图4，本实施例提供一种USB接口电路，包括：USB接头1、电源共模滤波模块2、信号共模滤波模块5、电源差模滤波模块3、信号差模滤波模块6以及静电保护模块4、接地模块7以及高压保护模块8。

本实施例与实施例一的区别在于，增设了高压保护模块8，高压保护模块8一端接USB接头的屏蔽地，一端接在所述工作地线路、电源线路和所述差分信号线路上，高压保护模块8可以设置在共模滤波与差膜滤波之间，也可以设置在共模滤波之前或者差膜滤波之后，优选的设置在差膜滤波之前，用于消除工作地线路、电源线路和差分信号线路上的高压干扰信号。

请参考图5，本实施例中，高压保护模块8包括四个压敏电阻V1、V2、V3、V4。其中，压敏电阻V1一端均接屏蔽地线，另一端接共模电感L2之后的电源线路，用于将电源线上的高电压大能量就近地导入到SHLD上，避免高电压信号干扰进入到PCB的地上，而影响电子设备IC的正常工作；压敏电阻V2一端均接屏蔽地线，另一端接共模电感L2之后的工作地GND线路，用于将工作地线上的高电压大能量就近地导入到SHLD上，避免高电压信号倒灌或者浪涌到PCB的地上，而影响电子设备IC的正常工作；压敏电阻V3、V4一端均接屏蔽地线，另一端分别接接共模电感L3之后的差分信号线路，用于将差分信号线上的高电压大能量就近地导入到SHLD上，避免高电压信号倒灌或者浪涌到PCB的地上，而影响电子设备IC的正常工作。

由于电路中存在的差模干扰一般为大能量的尖峰脉冲，本实施例增设的高压保护模块可以吸收大部分由于静电等原因造成的干扰，将高电压信号能量先消弱到SHLD上，然后通过差膜滤波模块以及静电保护模块配合吸收掉剩余能量，从而避免了高电压信号从所述工作地线路、电源线路和所述差分信号线路倒灌或者浪涌到PCB的地上，保证电子设备IC的正常工作。

本实施例的USB接口电路，由于设置了高压保护模块，因此相比实施例一的USB接口电路具有抑制高电压干扰的能力。

实施例三

请参考图6，本实施例提供一种USB接口电路，包括：USB接头1、电源共模滤波模块2、信号共模滤波模块5、电源差模滤波模块3、信号差模滤波模块6以及静电保护模块4、接地模块7、高压保护模块8以及高频滤波模块9。

本实施例与实施例二的区别在于，增设了高频滤波模块9，高频滤波模块9设置USB接头1与电源共模滤波模块2、信号共模滤波模块5之间，用于滤除电源线路和差分信号线路上的高频信号干扰。

本实施例中，所述高频滤波模块9包括分别串联在USB接头的电源端子VBVU、工作地GND和共模电感L2的输入端之间的两个滤波电感(或者磁珠)L4、L5以及分别串联在所述USB接头的差分信号两端子D-、D+和共模电感L3的输入端之间的两个滤波电感(或者磁珠)L6、L7。

本实施例中，静电保护模块4设置于USB接头与高频滤波模块9之间，将大能量静电最近导入到SHLD上，避免静电高压干扰进入到PCB板的地，影响电子设备IC的正常工作，用于阻挡由于静电等原因造成的高电压对USB电信号造成干扰。

进一步的，可以将工作地GND与USB线的屏蔽地SHLD通过100Ω-600Ω的磁珠或者滤波电容C5或者其他滤波电路相连接，以消除对工作地GND的干扰。本实施例中设置了滤波电容C5,以消除剩余的各种信号(尤其是差膜信号)对工作地GND的干扰。

本实施例的USB接口电路由于设置了高频滤波模块，因此相比实施例二的USB接口电路，具有抑制高频信号干扰的能力。

需要说明的是，本发明中，所述电源差模滤波模块不仅是上述各个实施例列举的LCC滤波电路，所述信号差模滤波模块也不仅仅是上述各个实施例列举的RC滤波电路，只要能实现差模滤波的电路都可以替代，因此电源差模滤波模块、信号差模滤波模块均可以是由电容、电阻、电感、磁珠的组成的滤波电路，例如π型滤波电路、RCC(一个串联电阻和两个并联电容组成的滤波电路)、CCL(两个并联电容和一个串联电感或磁珠组成的滤波电路)、CCR(两个并联电容和一个串联电阻组成的滤波电路)、CC(两个并联电容组成的滤波电路)、C(一个电容和组成的滤波电路)等。同样地，所述静电保护模块也可以是静电保护芯片，并不限定于实施例一至三中的举例，在此不再赘述。

综上所述，本发明的USB接口电路，包括USB接头、电源共模滤波模块、信号共模滤波模块、电源差模滤波模块、信号差模滤波模块以及静电保护模块，可以消除电路中电源线、信号线上的共模干扰、差膜干扰、静电干扰等，尤其是增设的电源共模滤波模块可以消除电源VBUS和工作地GND之间的共模干扰问题，电路所占体积小、成本低，对静电放电ESD及电磁干扰EMI的防护效果都很好，使得USB信号不再失真，确保产品顺利通过USB认证和EMC认证，实用性强。此外本发明的还可以通过高压保护模块和高频滤波模块消除电路中的高电压信号干扰和高频信号干扰，进一步提高USB接口电路的抗干扰能力，提高其信号传输性能。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种USB接口电路，其特征在于，包括：USB接头、电源共模滤波模块、信号共模滤波模块、电源差模滤波模块、信号差模滤波模块以及静电保护模块；其中，

所述电源共模滤波模块的输入端连接所述USB接头的电源端子和工作地端子，用于滤除电源线路和工作地线路上的共模干扰信号；

所述电源差模滤波模块连接所述电源共模滤波模块的输出端，用于滤除电源线路上的差模干扰信号；

所述信号共模滤波模块的输入端连接所述USB接头的差分信号线两端子，用于滤除差分信号线路上的共模干扰信号；

所述信号差模滤波模块连接所述信号共模滤波模块的输出端，用于滤除差分信号线路上的差模干扰信号；

所述静电保护模块一端接USB接头的屏蔽地，一端接在所述电源线路和所述差分信号线路上，用于消除电源线路和差分信号线路上的静电干扰信号。

2.如权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于，所述电源共模滤波模块包括输入端连接所述USB接头的电源端子和工作地端子的共模电感。

3.如权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于，所述电源差模滤波模块包括滤波电感、滤波电容、LC滤波电路和RC滤波电路中的至少一种。

4.如权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于，所述信号共模滤波模块包括输入端连接所述USB接头的差分信号线两端子的共模电感。

5.如权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于，所述信号差模滤波模块包括滤波电感、滤波电容、LC滤波电路和RC滤波电路中的至少一种。

6.如权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于，所述静电保护模块包括瞬态二极管或者静电保护芯片。

7.如权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于，所述USB接口电路还包括高压保护模块，所述高压保护模块的一端接USB接头的屏蔽地，一端接在所述工作地线路、电源线路和所述差分信号线路上，用于消除工作地线路、电源线路和差分信号线路上的高压干扰信号。

8.如权利要求7所述的USB接口电路，其特征在于，所述高压保护模块包括四个压敏电阻，四个压敏电阻的一端均接USB接头的屏蔽地，另一端分别接在所述工作地线路、电源线路和所述差分信号线路上。

9.如权利要求1所述的USB接口电路，其特征在于，所述USB接口电路还包括高频滤波模块，所述高频滤波模块设置USB接头与电源共模滤波模块、信号共模滤波模块之间，用于滤除电源线路和差分信号线路上的高频信号干扰。

10.如权利要求9所述的USB接口电路，其特征在于，所述高频滤波模块包括分别串联在USB接头的电源端子、工作地端子和电源共模滤波模块的输入端之间的两个滤波电感或滤波磁珠，以及分别串联在所述USB接头的差分信号两端子和信号共模滤波模块的输入端之间的两个滤波电感或滤波磁珠。