CN104578033B - 一种过压保护装置和一种usb接口 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过压保护装置和一种USB接口。本发明提供的过压保护装置包括：所述电流源单元连接在一用于外接的电力输入接口和系统主板电路之间，所述第一稳压单元的输入端连接电力输入接口，所述第一稳压单元的输出端与所述电流源单元的控制端相连接；所述第一稳压单元，用于将所述电力输入接口的输入电压进行稳压处理为所述电流源单元的工作电压，维持所述电流源单元工作；所述电流源单元，用于将所述电力输入接口的输入电压调整为预设值后输出至所述系统主板电路。本发明提供的技术方案能解决现有的USB接口不能进行过压保护，容易影响电子产品的使用寿命的问题。

Description

一种过压保护装置和一种USB接口

技术领域

本发明涉及USB接口制造技术领域，特别是涉及一种过压保护装置和一种USB接口。

背景技术

随着电子设备的增多，使用USB接口作为充电接口的电子设备也越来越多。有些厂家所生成的电子设备的适配器的输出电压在5V以上，有的甚至到了12V。然而，通常的便携式电子产品的充电电压为5V。当输入电压超过5V时，如果没有过压保护电路，很多芯片的管脚就会直接承受高压而损害，导致电子产品的毁坏，对用户造成经济损失；并且电压过高，还会影响电子产品的使用寿命。甚至外接的电源的电压过高时，还会造成电子产品的爆炸，威胁用户的人身和财产安全。

由上述可知，现有的电子产品的充电接口不能进行过压保护，容易造成电子产品的使用寿命。

发明内容

本发明提供了一种过压保护装置和一种USB接口。本发明提供的技术方案能够解决现有的电子产品的充电接口不能进行过压保护，容易造成电子产品的使用寿命。

本发明公开了一种过压保护装置，该装置包括：第一稳压单元和电流源单元；

所述电流源单元连接在一用于外接的电力输入接口和系统主板电路之间，所述第一稳压单元的输入端连接电力输入接口，所述第一稳压单元的输出端与所述电流源单元的控制端相连接；

所述第一稳压单元，用于将所述电力输入接口的输入电压进行稳压处理为所述电流源单元的工作电压，维持所述电流源单元工作；

所述电流源单元，用于将所述电力输入接口的输入电压调整为预设值后输出至所述系统主板电路。

可选的，所述电流源单元包括：第一开关管、第二开关管、第二电阻、第四电阻和第五电阻；

所述第二开关管的基极与所述第一稳压单元输出端相连接，所述第二开关管的开关通路的一端与所述第一开关管的控制端相连接，所述第二开关管的开关通路的另一端与所述第五电阻的一端相连接，所述第五电阻的另一端接地；

所述第一开关管的开关通路的一端与所述第二电阻的一端一并连接至所述电力输入接口，所述第一开关管的控制端与所述第二电阻的另一端相连接，所述第一开关管的开关通路的另一端连接所述系统主板电路；

所述第四电阻的一端与所述第一开关管的开关通路的另一端相连接，所述第四电阻的另一端与所述第一开关管的发射极相连接。

可选的，所述第一稳压单元包括：

第一电阻和稳压管；所述第一电阻的一端与所述电力输入接口相连接，所述第一电阻的另一端与所述稳压管的截止端相连接，所述稳压管的另一端接地。

可选的，该装置还包括：第二稳压单元；

所述第二稳压单元包括：线性稳压器和第三电阻；所述线性稳压器的输入端与所述稳压管的截止端相连接，所述线性稳压器的输出端与所述电流源单元的控制端相连接；所述线性稳压器的接地端接地；所述第三电阻的一端与所述线性稳压管的输出端相连接，所述第三电阻的另一端接地。

可选的，该装置还包括滤波单元；

所述滤波单元包括：第三电容；所述第三电容的一端与所述场效应管的漏极相连接，所述第三电容的另一端接地。

可选的，所述第二稳压单元还包括：第一电容、第二电容；

所述第一电容的一端与所述线性稳压器的输入端相连接，所述第一电容的另一端接地；

所述第二电容的一端与所述线性稳压器的输出端相连接，所述第二电容的另一端接地。

可选的，所述电力输入接口为USB接口，

和/或，所述线性稳压器为1.5V的LDO线性稳压器；

和/或，所述第三电阻的阻值为1KΩ～3KΩ；

和/或，所述第一电阻的阻值为1KΩ～3KΩ；

和/或，所述第一电阻的阻值为1KΩ～3KΩ；

和/或，所述稳压管为5.1V的稳压管。

可选的，所述第二开关管为NPN三极管；

和/或，所述第一开关管为PMOS场效应管；

和/或，第二电阻的阻值为150KΩ～250KΩ；

和/或，第四电阻的阻值为50KΩ～60KΩ，所述第四电阻的精度为1％；

和/或，第五电阻的阻值为10KΩ～16KΩ，所述第五电阻的精度为1％。

可选的，所述第一电容为1UF的电容；

和/或，所述第二电容为0.1UF的电容。

本发明还公开了一种USB接口，所述USB接口包括：柔性FPC板、USB座子和如权利要求1～9中任意一项所述的过压保护装置；

所述过压保护装置形成在在所述柔性FPC板的板面上；

所述柔性FPC板的一端与所述USB座子相连接，另一端与系统主板电路连接，

综上所述，在本发明所提供的技术方案中，第一稳压单元利用电力输入接口的输入电压维持电流源单元的工作，电流源单元设置在电力输入接口向系统主板电路输送电力的通路上，将电力输入接口的输入电压维持为系统主板电路所需电压，来供给系统主板电路，从而使得在电力输入接口的输入电压过高时保护系统主板电路。进一步的，提供一种新的USB接口，其USB过压保护装置设置在其FPC板上，节省系统主板PCB的面积，并利用FPC板的可弯曲性，来使得USB座子相对系统主板的位置更灵活多变，方便安装；同时在该USB接口连接至一系统主板时，其过压保护装置可以直接对系统主板上的内部电路进行过压保护，尤其保护了内部无过压保护电路设计的系统主板，兼容性高，从而在解决现有的USB接口不能进行过压保护，容易影响电子产品的使用寿命的问题。

附图说明

图1是本发明中一种过压保护装置的结构示意图；

图2是本发明中一种实施例中的电流源单元的结构示意图；

图3是本发明中一种第一稳压单元的结构示意图；

图4是本发明中一种第二稳压单元的结构示意图；

图5是本发明中一种第二稳压单元的详细结构示意图；

图6是本发明一种过压保护装置的详细结构示意图；

图7是本发明中一种USB接口的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作还地详细描述。

为达到上述目的本发明的技术方案是这样实现的：

图1是本发明中一种过压保护装置的结构示意图，参见图1所示，该装置包括：第一稳压单元101和电流源单元102；本发明提供的过压保护装置设置在电力输入接口与电子设备之间，将电力输入接口的输入电压维持为电子设备的系统主板电路所需电压，来供给系统主板电路，从而保护电子设备的系统主板中的电子元器件不受高电压而损坏。其中，电力输入接口可以为市电输入。

具体为，电流源单元102连接在一用于外接的电力输入接口和系统主板电路之间。第一稳压单元101的输入端连接电力输入接口，第一稳压单元101的输出端与电流源单元102的控制端相连接，电流源单元102的输出端与系统主板电路的电源输入端相连接。

第一稳压单元101，用于将电力输入接口的输入电压进行稳压处理为电流源单元102的工作电压，维持电流源单元102工作。

电流源单元102，将电力输入接口的输入电压调整为预设值后输出至系统主板电路。

即第一稳压单元101利用电力输入接口的输入电压维持电流源单元102的工作，电流源单元102将电力输入接口的输入电压维持为系统主板电路所需电压，来供给系统主板电路，从而使得在电力输入接口的输入电压过高时保护系统主板电路。实现保护电子产品内的电子元器件不会因为高压而损坏。

在本发明的一种实施例中，电流源单元102包括：第一开关管、第二开关管、第二电阻、第四电阻和第五电阻；

第二开关管的基极与第一稳压单元输出端相连接，第二开关管的开关通路的一端与第一开关管的控制端相连接，第二开关管的开关通路的另一端与第五电阻的一端相连接，第五电阻的另一端接地；

第一开关管的开关通路的一端与第二电阻的一端一并连接至电力输入接口，第一开关管的控制端与第二电阻的另一端相连接，第一开关管的开关通路的另一端连接系统主板电路；

第四电阻的一端与第一开关管的开关通路的另一端相连接，第四电阻的另一端与第一开关管的发射极相连接。

在本发明的一种实施例中，第一开关管可以采用场效应管Q1，第二开关管可以采用三极管Q2。图2是本发明中一种实施例中的电流源单元的结构示意图。参见图2所示，电流源单元102包括：三极管Q2、场效应管Q1、第二电阻R2、第四电阻R4和第五电阻R5；

三极管Q2的基极与第一稳压单元101输出端相连接，三极管Q2的集电极与场效应管Q1的栅极相连接，三极管Q2的发射极与第五电阻R5的一端相连接，第五电阻R5的另一端接地；场效应管Q1的源极与第二电阻R2的一端相连接，场效应管Q1的栅极与第二电阻R2的另一端相连接，场效应管Q1的漏极外接电压输出端；第四电阻R4的一端与场效应管Q1的漏极相连接，第四电阻R4的另一端与三极管Q2的发射极相连接。

在本发明的上述实施例中，三极管Q2为NPN三极管；场效应管Q1为PMOS场效应管。并且上述仅仅本发明的一种实施例中的第一开关管和第二开关管的选择，在本发明的其他实施例中，还可以选用其他场效应管或三极管，在此不一一赘述。

图3是本发明中一种第一稳压单元的结构示意图，参见图3所示，该第一稳压单元包括：第一电阻R1和稳压管D1；第一电阻R1的一端与电力输入接口相连接，第一电阻R1的另一端与稳压管D1的截止端相连接，稳压管的另一端接地。

参见图2、3所示，三极管Q2的基极与第一稳压单元101的输出端端相连接，在第一稳压单元101与所述电流源单元的控制端相连接，为三极管Q2提供稳压输入，使得三极管Q2导通。在本实施例中，通过第一稳压单元101将电力输入接口的输入电压进行稳压处理，转为电流源单元102的工作电压，维持电流源单元102工作。具体为，第一稳压单元101将稳压后的电压输给三极管Q2的基极；由于三极管Q2有稳定的管压降，在三极管Q2的基极电压为固定值的情况下，能够保证第五电阻R5两端的电压为固定值，即通过第五电阻R5的电流I_C为固定值。由于I_C＝I_A+I_B，即外接输出端的电压过高时，电流I_A的值会变大；则自动减少电流I_B大小，实现对电流I_A的大小进行调节。具体为：场效应管Q1的源极外接电源输入，在三极管Q2导通之后，场效应管Q1导通；根据U_gs与其漏极电流I_D对应关系I_D＝gm*U_GS，其中，gm为定值，U_GS＝I_B*R2，R2是定值。即实现调节电流的大小I_B调整漏极电流I_D，使得输出电压保持在预设值。其中漏极电流I_D即图2中的电路I_A。

在本发明的一种实施例中，第二电阻R2的阻值为150KΩ～250KΩ。

在本发明的一种实施例中，第四电阻R4的阻值为50KΩ～60KΩ。其中，第四电阻R4的精度为1％。

在本发明的一种实施例中，第五电阻R5的阻值为10KΩ～16KΩ。其中，第五电阻R5的精度为1％。

为了能够更好为三极管的基极提供稳定的电压输入，在本发明的一种实施例中，该装置还包括：第二稳压单元。图4是本发明中一种第二稳压单元的结构示意图。参见图4所示，第二稳压单元包括：线性稳压器U1和第三电阻R3；线性稳压器U1的输入端与稳压管D1的截止端相连接，线性稳压器U1的输出端与电流源单元102的控制端相连接；线性稳压器U1的接地端接地；第三电阻R3的一端与线性稳压管的输出端相连接，第三电阻R3的另一端接地。

为了能够更保证输出给三极管Q2的基极的电压的稳定，在本发明的一种实施例中，第二稳压单元还包括：第一电容C1、第二电容C2；图5是本发明中一种第二稳压单元的详细结构示意图。参见图5所示，

第一电容C1的一端与线性稳压器的输入端相连接，第一电容C1的另一端接地；第二电容C2的一端与线性稳压器的输出端相连接，第二电容C2的另一端接地。

在本发明的上述实施例中，通过将经过第一稳压模块101处理后的电压再经过第二稳压模块进行处理，从而保证输出给三极管Q2基极的电压为一个稳定的电压值，进而保证第五电阻R5两端的电压为固定值，使得I_C的值固定。

在本发明的一种实施例中，电力输入接口为USB接口。

在本发明的一种实施例中，线性稳压器为1.5V的LDO线性稳压器。

在本发明的一种实施例中，第三电阻的阻值为1KΩ～3KΩ。

在本发明的一种实施例中，第一电阻R1的阻值为1KΩ～3KΩ。

在本发明的一种实施例中，第一电容为0.5～1.5UF的电容。

在本发明的一种实施例中，第二电容为0.05～0.15UF的电容。

为了能够更好地对保证输出的电压的稳定，在本发明的一种实施例中，该装置还包括滤波单元；滤波单元包括：第三电容C3；第三电容C3的一端与场效应管Q1的漏极相连接，第三电容C3的另一端接地。

在本发明的一种实施例中，第三电容C3的电容值为5UF～15UF。

图6是本发明一种过压保护装置的详细结构示意图，在本实施例中，电力输入接口为USB接口。第一开关管为PMOS场效应管，第二开关管为NPN三极管。参见图6所示，

第一电阻R1的一端与所述电力输入接口相连接，第一电阻R1的另一端与稳压管D1的截止端相连接，稳压管D1的另一端接地。线性稳压器U1的输入端与稳压管D1的截止端相连接，线性稳压器U1输出端与电流源单元102的输入端相连接；线性稳压器U1的接地端接地；第三电阻R3的一端与线性稳压管U1的输出端相连接，第三电阻R3的另一端接地。第三电容C3的一端与场效应管Q1的漏极相连接，第三电容C3的另一端接地。第一电容C1的一端与线性稳压器U1的输入端相连接，第一电容C1的另一端接地；第二电容C2的一端与线性稳压器U1的输出端相连接，第二电容C2的另一端接地。

场效应管Q1的源极与第二电阻R2的一端一并连接至电力输入接口，场效应管Q1的栅极与三极管Q2的集电极相连接，场效应管Q1的漏极外接电压输出端；第二电阻R2的一端与场效应管Q1的源极相连接，第二电阻R2的另一端与场效应管Q1的栅极相连接；三极管Q2的基极与线性稳压器U1的输出端相连接，三极管Q2的发射极与第五电阻R5的一端相连接，第五电阻R5的另一端接地；第四电阻R4的一端与场效应管Q1的漏极相连接，第四电阻R4的另一端与三极管Q2的发射极相连接。

在本发明的上述实施例中，第二电阻R2的阻值为200KΩ；第四电阻R4的阻值为56KΩ，第五电阻R5的阻值为13KΩ，线性稳压器U1为1.5V的LDO线性稳压器；第三电阻的阻值为2KΩ；第一电阻R1的阻值为2KΩ；第一电阻R1的阻值为3KΩ；稳压管D1为5.1V的稳压管，与电阻R1配合可以把高于5.1V的压降始终保持在5.1V上。第一电容C1为1UF/16V的电容；第二电容C2为0.1UF的电容；第三电容C3为10UF/10V的电容。

下面结合图5对本发明所提供的USB过压保护装置的工作流程进行详细说明。

当输入电压为5.2V的时候，A点电压为5.1V，线性稳压管U1的输出电压为1.5V；由于插入瞬间，在场效应管Q1导通前，C点的电压为低，所以，三极管Q2导通。三极管Q2的BE管压降为定值0.7V，所以在第五电阻R5R5上是稳定的电压0.8V(1.5V-0.7V)，所以I_C为定值(0.8V/13K)。

在输入电压5.2V后，Q2导通，此时R2上的电压使得场效应管Q1导通。在电阻R4上产生一个分压U_R4，U_R4+0.8V≈5V。此时的输出电压为设定的输出电压值，是通过第四电阻R4，第五电阻R5，以及场效应管Q1的U_GS与其漏极电流I_D的关系I_D＝gm*U_GS来实现的。

当输入的电压较高的时候，比如输入电压为8V时候，在输入的瞬间，三极管Q2导通，场效应管Q1导通，因为输入电压增大了，所以在第四电阻R4上的电压也相应增大为8-0.8V＝7.2V，第四电阻R4上的电流变化量为I_N，I_N＝(8V-5V)/R5，由于I_C＝I_A+I_B，而I_C为定值，所以由于I_A的增大，导致了I_B的减小，变化量相同，设为I_M；而U_GS＝R2*I_B，所以U_GS就减小R2*I_M，根据UGS与其漏极电流I_D的关系知道，对应的电流I_A也相应的减小了I_S，这个减小量I_S基本上等于插入瞬间，第四电阻R4R4上的电流的增加量I_N，这样就保证了第四电阻R4上电压基本还是稳定在4.2V，所以反映到输出端，输出的电压基本还是维持在4.2V+0.8V＝5V不变。这样就保证了即使输入电压大于5.2V的时候，也能基本保证输出电压5V。

本发明还公开了一种USB接口。图7是本发明中一种USB接口的结构示意图，参见图7所示，该USB接口包括：柔性印刷板FPC703、USB座子701和USB过压保护装置702。

其中，USB过压保护装置702设置在FPC703上；USB过压保护装置702通过FPC703与USB座子701、系统主板电路相连接。

在本发明的一种实施例中，USB过压保护装置702中的电子元件可以通过贴片方式封装在FPC703上，电子元件之间的电连接线采用FPC板上的印制走线，USB过压保护装置702通过FPC703上的走线连接USB座子701的端子/触点与系统主板电路的端子/触点。

在本发明的一种实施例中，USB座子701为5pin式USB端子，FPC板703上印制5条走线，这5条走线始于USB座子701的5个端子，止于FPC板自由端的5个触点。

在本发明所提供USB过压保护装置702可以为图1～图6中所示实施例中的USB过压保护装置。

在本发明的一种具体实现方式中，该USB接口可以独立成型为一个电子元器件，其FPC703连接系统主板电路的一端为自由端，连接USB座子的一端为固定端，在该USB接口组装到电子产品中时，通过FPC703自由端上预留的焊接端子或者触点来与系统主板电路形成电连接。

综上在本发明所提供的技术方案中设置的第一稳压单元、第二稳压单元、滤波单元和电流源单元。第一稳压单元通过利用电力输入接口的输入电压维持电流源单元的工作，电流源单元设置在电力输入接口向系统主板电路输送电力的通路上，将电力输入接口的输入电压维持为系统主板电路所需电压，来供给系统主板电路，从而使得在电力输入接口的输入电压过高时保护系统主板电路。进一步的，提供一种新的USB接口，其USB过压保护装置设置在FPC板上，节省系统主板(承载电子设备的系统控制电路等的PCB电路板)的面积，并利用FPC板的可弯曲性，来使得USB座子相对系统主板的位置更灵活多变，方便安装；同时在该USB接口连接至一系统主板时，其过压保护装置可以直接对系统主板上的内部电路进行过压保护，尤其保护了内部无过压保护电路设计的系统主板，兼容性高，从而在解决现有的USB接口不能进行过压保护，容易影响电子产品的使用寿命的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种过压保护装置，其特征在于，该装置包括：第一稳压单元和电流源单元；

所述电流源单元连接在一用于外接的电力输入接口和系统主板电路之间，所述第一稳压单元的输入端连接电力输入接口，所述第一稳压单元的输出端与所述电流源单元的控制端相连接；

所述第一稳压单元，用于将所述电力输入接口的输入电压进行稳压处理为所述电流源单元的工作电压，维持所述电流源单元工作；

所述电流源单元，用于将所述电力输入接口的输入电压调整为预设值后输出至所述系统主板电路；

所述电流源单元包括：第一开关管、第二开关管、第二电阻、第四电阻和第五电阻；所述第二开关管为NPN三极管；所述第一开关管为PMOS场效应管

所述第二开关管的基极与所述第一稳压单元输出端相连接，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的栅极相连接，所述第二开关管的发射极与所述第五电阻的一端相连接，所述第五电阻的另一端接地；

所述第一开关管的源极与所述第二电阻的一端一并连接至所述电力输入接口，所述第一开关管的栅极与所述第二电阻的另一端相连接，所述第一开关管的漏极连接所述系统主板电路；

所述第四电阻的一端与所述第一开关管的漏极相连接，所述第四电阻的另一端与所述第二开关管的发射极相连接；

所述第一稳压单元包括：第一电阻和稳压管；所述第一电阻的一端与所述电力输入接口相连接，所述第一电阻的另一端与所述稳压管的阴极相连接，所述稳压管的阳极接地；其中，第二开关管的基极为电流源单元的控制端，稳压管的阴极为第一稳压单元的输出端；

该装置还包括：第二稳压单元；所述第二稳压单元包括：线性稳压器和第三电阻；所述线性稳压器的输入端与所述稳压管的阴极相连接，所述线性稳压器的输出端与所述电流源单元的控制端相连接；所述线性稳压器的接地端接地；所述第三电阻的一端与所述线性稳压器的输出端相连接，所述第三电阻的另一端接地；

所述第二稳压单元还包括：第一电容、第二电容；

所述第一电容的一端与所述线性稳压器的输入端相连接，所述第一电容的另一端接地；

所述第二电容的一端与所述线性稳压器的输出端相连接，所述第二电容的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括滤波单元；

所述滤波单元包括：第三电容；所述第三电容的一端与所述PMOS场效应管的漏极相连接，所述第三电容的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述电力输入接口为USB接口，

和/或，所述线性稳压器为1.5V的LDO线性稳压器；

和/或，所述第三电阻的阻值为1KΩ～3KΩ；

和/或，所述第一电阻的阻值为1KΩ～3KΩ；

和/或，所述稳压管为5.1V的稳压管。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

第二电阻的阻值为150KΩ～250KΩ；

和/或，第四电阻的阻值为50KΩ～60KΩ，所述第四电阻的精度为1％；

和/或，第五电阻的阻值为10KΩ～16KΩ，所述第五电阻的精度为1％。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述第一电容为1UF的电容；

和/或，所述第二电容为0.1UF的电容。

6.一种USB接口，其特征在于，所述USB接口包括：柔性FPC板、USB座子和如权利要求1～5中任意一项所述的过压保护装置；

所述过压保护装置形成在所述柔性FPC板的板面上；

所述柔性FPC板的一端与所述USB座子相连接，另一端与系统主板电路连接。