CN106300314A - Type‑C接口芯片CC管脚的高压保护系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开Type‑C接口芯片CC管脚的高压保护系统及方法，包括高压保护装置和高压检测装置；当Type‑C接口芯片CC管脚的输入电压高于参考电压时，高压检测装置产生并输出相应的控制信号，通过控制高压保护装置，将Type‑C接口芯片中与CC管脚通信的低压模块输入端的电压控制在安全范围内，从而实现对低压模块的保护；在本发明中还公开一种采用NMOS管替代高压保护装置和高压检测装置的高压保护系统，实现对低压模块进行保护，且还能实现Type‑C接口芯片在没有供电时，对Type‑C接口芯片低压模块的保护。为使所述高压保护系统的构建更便捷、成本更低，本发明在设计所述的高压保护系统时，所采用的电路、器件、参考电压均优选Type‑C接口芯片中的电路、器件、参考电压。
Description
技术领域
本发明涉及紧急保护电路领域，尤其涉及Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统及方法。
背景技术
随着设备小型化以及便携设备的快速发展，数据接口的尺寸和数量逐渐成为制约设备尺寸的关键因素，因此对数据接口小型化的需求也愈发强烈。在该背景下，USB标准组织提出了新一代的Type-C接口标准以满足日益增长的需求。除了减小了接口尺寸外，更加丰富了接口功能，包括对多信号通路以及高压VBUS供电的支持。
图1是USB标准组织提出的新一代Type-C接口芯片的示意图。如图1所示，由于Type-C接口本身的机械结构特点，CC1、CC2管脚紧邻VBUS管脚，由于VBUS管脚可以传输高压，因此用户在使用Type-C接口的过程中，CC1、CC2管脚有可能与VBUS管脚发生短接现象，会出现烧毁Type-C接口芯片中与CC管脚通信的电路模块，进而导致芯片失效。
发明内容
本发明的目的是提供Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，以既便捷、又低成本的方式实现当芯片端口输入电压过高时对芯片内部低压模块的保护。
为实现上述目的，本发明提供一种Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，包括：高压保护装置和高压检测装置；
高压检测装置，用于将接收的Type-C接口芯片CC管脚的输入电压与参考电压进行比较，以及根据输入电压与参考电压的比较，产生相应的控制信号；
高压保护装置，用于根据所述控制信号将Type-C接口芯片中与所述CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压控制在安全范围内。
所述高压保护装置包括第一开关。
所述高压检测装置包括第一电压比较器。
第一开关串联在所述Type-C接口芯片的CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中；第一电压比较器将所述输入电压与所述参考电压进行比较，当所述输入电压高于所述参考电压时，所述第一电压比较器(AMP)产生并输出第一控制信号。
第一开关并联在所述Type-C接口芯片的CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中；第一电压比较器将所述输入电压与所述参考电压进行比较，当所述输入电压高于所述参考电压时，所述第一电压比较器产生并输出第一控制信号逻辑相反的反相电压。
所述第一开关选用Type-C接口芯片中的开关。
所述第一电压比较器选用Type-C接口芯片中的电压比较器。
所述参考电压由Type-C接口芯片内部阻值分压、MOS管阈值电压、带隙基准电路产生并提供，或者可以由芯片外部提供。
相应于上述提供的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，本发明还提供Type-C接口芯片CC管脚的高压保护方法，包括以下步骤：
采用高压检测装置采集Type-C接口芯片CC管脚的输入电压；
所述高压检测装置将所述输入电压与参考电压进行比较，当所述输入电压高于参考电压时，所述高压检测装置产生并输出相应的控制信号；
根据相应的控制信号，采用高压保护装置将Type-C接口芯片中与所述CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压控制在安全范围内。
相应于上述提供的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统。本发明还提供一种采用NMOS管替换高压保护装置和高压检测装置的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，包括第一NMOS管；所述第一NMOS管N1串联在Type-C接口芯片的CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中；所述第一NMOS管接收Type-C接口芯片CC管脚的输入电压和参考电压，当所述输入电压高于第一阈值时，所述第一NMOS管将Type-C接口芯片中与所述CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压控制在安全范围内。
所述第一阈值为当第一NMOS管栅源极电压达到夹断电压时，所述输入电压的值。
所述参考电压采用Type-C接口芯片的电源电压。
采用本发明提供的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，由于Type-C接口芯片内的低压模块均通过相应的CC管脚接收信号，当CC管脚处的输入电压过大时，易造成Type-C接口芯片内的低压模块损坏甚至烧毁，进而导致芯片失效；
为实现以既便捷、又低成本地解决这一问题，本发明选用Type-C接口芯片内的开关作为第一开关串联在所述Type-C接口芯片的CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中，同时通过选用Type-C接口芯片内第一电压比较器，对CC管脚处的电压进行检测，并输出第一控制信号，控制所述第一开关通断，对Type-C接口芯片内低压模块的保护；此外，本发明还通过将第一开关并联在Type-C接口芯片CC的管脚和内部低压模块之间的信号通路中，通过第一电压比较器输出的与第一控制信号逻辑相反的反相信号，控制所述第一开关的通断，实现另一种对Type-C接口芯片内低压模块的保护方式。
此外，同样地，为实现更便捷、更低成本地解决Type-C接口芯片内低压模块易损坏甚至烧毁，进而导致芯片失效的问题，本发明提供的，由第一NMOS管根据Type-C接口芯片电源电压实现的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，选用Type-C接口芯片内的NMOS管作为第一NMOS管，替换高压保护装置和高压检测装置的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，对Type-C接口芯片内的低压模块进行保护；而且在Type-C接口芯片没有供电的情况下，第一NMOS管还实现对内部低压模块的保护。
附图说明
图1是USB标准组织提出的新一代Type-C接口标准的示意图；
图2是本发明提供的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统的第一种具体实施方式的示意图；
图3是本发明提供的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统的第二种具体实施方式的示意图；
图4是本发明提供的Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统的第三种具体实施方式的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施方式选择USB Type-C接口芯片作为本系统的实施对象。
图2是本发明提供的一种USB Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统的第一种具体实施方式的示意图。
如图2所示，本实施例提供的USB Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，包括高压保护装置101和用于产生控制信号Vtr的高压检测装置102。
高压保护装置101采用开关S1来实现；开关S1串联在CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中；内部低压模块为USB Type-C接口芯片中与CC管脚通信的电路模块。
高压检测装置102包括电压比较器AMP；电压比较器AMP的第一输入端与CC管脚连接，用于接收CC管脚处的输入电压Vin；电压比较器AMP的第二输入端用于接收参考电压Vref；电压比较器AMP的输出端用于向高压保护装置101输出控制信号Vtr。
电压比较器AMP将接收的输入电压Vin与参考电压Vref进行比较时：
当CC管脚处的输入电压Vin高于参考电压Vref时，电压比较器AMP产生并输出的控制信号Vtr为高电平，控制开关S1开路，隔断CC管脚处的高压，使内部低压模块输入端的电压为零，从而实现对USB Type-C接口芯片中的低压模块的保护；
当CC管脚处的输入电压Vin低于或等于参考电压Vref时，电压比较器AMP输出的控制信号Vtr为低电平，控制开关S1导通，内部低压模块输入端的电压等于CC管脚处的输入电压Vin，CC管脚和内部低压模块正常通信。
本实施例中的开关S1和电压比较器AMP均可采用USB Type-C接口芯片中的开关和电压比较器，或者采用外部提供的开关和电压比较器，但为使连接高压保护电路更便捷，且降低设计成本，在本实施例中，开关S1优选USBType-C接口芯片中的开关，电压比较器AMP优选USB Type-C接口芯片内的迟滞电压比较器；考虑到本实施例中选用的电压比较器AMP为低压器件，为了防止处于高压状态的输入电压Vin损坏电压比较器AMP，在实际应用中可根据电压比较器AMP安全阈值和跳转电压，通过串联电阻对输入电压Vin进行分压后，向电压比较器AMP输入相对安全且能使电压比较器AMP正常工作的电压。为了减小引入分压电阻后所导致增加额外的到地电流对电压比较器AMP的待检信号通路造成影响，分压电阻可采用足够大的阻值以降低该影响。
此外，本实施例中的参考电压Vref可以由但不限于USB Type-C接口芯片的内部阻值分压、MOS管阈值电压及带隙基准电路产生，也可以由芯片外部提供。
此外，本实施例中的开关S1使能信号的极性和电压比较器AMP对比较输出的极性均可以同时取反。
图3是本发明提供的USB Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统的第二种具体实施方式。
如图3所示，基于图2中USB Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，改变开关S1的接入方式，将开关S1并联在CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中，具体为将开关S1的一端与CC管脚和低压模块的输入端连接，另一端接地；此外，本实施例提供的USB Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，还包括反相器D，反相器D与电压比较器AMP的输出端连接，用于将控制信号Vtr转换成控制信号Vtr_b，并输出控制开关S1的通断；其中，控制信号Vtr_b为控制信号Vtr的逻辑反相信号；
当CC管脚处的输入电压Vin高于参考电压Vref时，电压比较器AMP产生并输出的控制信号Vtr，经反相器D后，转换为控制信号Vtr_b，此时控制信号Vtr_b为低电平，开关S1导通，CC管脚处的输入电压Vin被强制短接至地，使内部低压模块输入端的电压为零，从而实现对USB Type-C接口芯片中的低压模块的保护；
当CC管脚处的输入电压Vin低于或等于参考电压Vref时，电压比较器AMP产生并输出的控制信号Vtr，经反相器D后，转换为控制信号Vtr_b，此时控制信号Vtr_b为高电平，开关S1开路，此时，内部低压模块输入端的电压等于CC管脚处的输入电压Vin，CC管脚和内部低压模块正常通信。
本实施例中的反相器D可采用USB Type-C接口芯片中的反向器，或者采用外部提供的反向器，但为使连接高压保护电路更便捷，且降低设计成本，在本实施例中，反向器D优选USB Type-C接口芯片中的反向器。
图4是本发明提供的USB Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统的第三种具体实施方式。
基于图2所示的高压保护系统，如图4所示，根据NMOS管的开关特性，在本实施例中，采用NMOS管N1，并将NMOS管N1串联在CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中，进而替换图2所示第一种实施方式中的高压保护装置101和高压检测装置102，具体为，NMOS管N1的漏极连接USB Type-C接口芯片的CC管脚，NMOS管N1的源极内部低压模块的输入端连接，NMOS管N1的栅极用于接收参考电压Vref；
由于NMOS管N1的漏极电压等于CC管脚的输入电压Vin，NMOS管N1的栅极电压等于参考电压Vref，NMOS管N1的源极电压等于内部低压模块的输入端电压；由NMOS管的开关特性，随着输入电压Vin的增大，NMOS管N1的源极电压也会随之增大，当NMOS管N1的栅源极电压VGS达到NMOS管N1的夹断电压VGS(off)时，NMOS管N1漏极和源极之间的电流为零，隔断CC管脚处的高压，此时NMOS管N1的源极电压等于：Vref-VGS(off)，即此时内部低压模块输入端的电压也等于：Vref-VGS(off)，其中，Vref为参考电压Vref的值，VGS(off)为夹断电压VGS(off)的值；通过设置参考电压Vref，即可将Vref-VGS(off)设定在内部低压模块的安全电压范围内；
当CC管脚处的输入电压Vin低于或等于参考电压Vref时，NMOS管N1正常导通，USBType-C接口芯片中与CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压等于CC管脚处的输入电压Vin，USB Type-C接口芯片CC管脚处的信号正常传递至USB Type-C接口芯片的内部低压模块。
本实施例中的NMOS管N1为采用高压工艺生产的、具备抗高压特性的NMOS管；NMOS管N1可采用USB Type-C接口芯片中的NMOS管，或者采用外部提供的NMOS管，但为使连接高压保护电路更便捷，且降低设计成本，在本实施例中，NMOS管N1优选USB Type-C接口芯片中的NMOS管；
此外，为了使设计高压保护电路更便捷，降低设计成本，且在USB Type-C接口芯片没有供电的情况下，实现对内部低压模块的保护，本实施例中的参考电压Vref采用USBType-C接口芯片的电源电压VDD；由NMOS管的开关特性，当电源电压VDD为零时(没有供电)，若CC管脚的输入电压Vin的增大，则NMOS管N1的源极电压也会随之增大，当输入电压Vin的继续增大时，NMOS管N1的栅源极电压VGS很容易会达到NMOS管N1的夹断电压VGS(off)，使NMOS管N1漏极和源极之间的电流为零，隔断CC管脚处的高压，进而实现对内部低压模块的保护。
相应于上述实施例提供的USB Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，本发明还提供Type-C接口芯片CC管脚的高压保护方法的实施例，包括以下步骤：
采用高压检测装置采集USB Type-C接口芯片CC管脚的输入电压；
所述高压检测装置将所述输入电压与参考电压进行比较，当所述输入电压高于参考电压时，所述高压检测装置产生并输出相应的控制信号；
根据相应的控制信号，采用高压保护装置将USB Type-C接口芯片中与所述CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压控制在安全范围内。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，其特征在于，包括：高压保护装置(101)和高压检测装置(102)；
高压检测装置(102)，用于将接收的Type-C接口芯片CC管脚的输入电压(Vin)与参考电压(Vref)进行比较，以及根据输入电压(Vin)与参考电压(Vref)的比较，产生相应的控制信号；
高压保护装置(101)，用于根据所述控制信号将Type-C接口芯片中与所述CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压控制在安全范围内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高压保护装置(101)包括第一开关(S1)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高压检测装置(102)包括第一电压比较器(AMP)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，第一开关(S1)串联在所述Type-C接口芯片的CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中；第一电压比较器(AMP)将所述输入电压(Vin)与所述参考电压(Vref)进行比较，当所述输入电压(Vin)高于所述参考电压(Vref)时，所述第一电压比较器(AMP)产生并输出第一控制信号(Vtr)。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，第一开关(S1)并联在所述Type-C接口芯片的CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中；第一电压比较器(AMP)将所述输入电压(Vin)与所述参考电压(Vref)进行比较，当所述输入电压(Vin)高于所述参考电压(Vref)时，所述第一电压比较器(AMP)产生并输出第一控制信号(Vtr)逻辑相反的反相电压。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一开关(S1)选用Type-C接口芯片中的开关。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一电压比较器(AMP)选用Type-C接口芯片中的电压比较器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参考电压(Vref)由Type-C接口芯片内部阻值分压、MOS管阈值电压、带隙基准电路产生并提供，或者可以由芯片外部提供。
9.Type-C接口芯片CC管脚的高压保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用高压检测装置(102)采集Type-C接口芯片CC管脚的输入电压(Vin)；
所述高压检测装置(102)将所述输入电压(Vin)与参考电压(Vref)进行比较，当所述输入电压(Vin)高于参考电压(Vref)时，所述高压检测装置(102)产生并输出相应的控制信号；
根据相应的控制信号，采用高压保护装置(101)将Type-C接口芯片中与所述CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压控制在安全范围内。
10.Type-C接口芯片CC管脚的高压保护系统，其特征在于，包括第一NMOS管(N1)；所述第一NMOS管N1串联在Type-C接口芯片的CC管脚和内部低压模块之间的信号通路中；所述第一NMOS管(N1)接收Type-C接口芯片CC管脚的输入电压(Vin)和参考电压(Vref)，当所述输入电压(Vin)高于第一阈值时，所述第一NMOS管(N1)将Type-C接口芯片中与所述CC管脚通信的内部低压模块输入端的电压控制在安全范围内。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一阈值为当第一NMOS管(N1)栅源极电压(VGS)达到夹断电压(VGS(off))时，所述输入电压(Vin)的值。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述参考电压(Vref)采用Type-C接口芯片的电源电压。
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