CN106887832B - 一种保护终端芯片usb接口的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保护终端芯片的USB接口的电路，所述终端芯片的USB ID引脚与电源VDD之间连接第一电阻R0和第一二极管D0，所述第一电阻R0的第一端和所述第一二极管D0的正极均与所述终端芯片的USB ID引脚相连，所述第一电阻R0的第二端和所述第一二极管D0的负极均与所述电源VDD相连，其特征在于，包括：所述终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1或第二二极管D1。本发明能够防止终端芯片的USB ID引脚烧坏，保护终端的USB充电功能。

Description

一种保护终端芯片USB接口的电路
技术领域
本发明涉及终端技术领域，尤其涉及的是一种保护终端芯片USB接口的电路。
背景技术
现在移动智能终端的应用已经非常广泛，普及程度非常高，设计厂家为了外观时尚，结构上越做越薄，因此这些移动智能终端大多采用了内置电池(即不可拆卸电池)，通过AP(Application Processor，应用处理器)芯片上标准的USB接口对内置电池进行充电。
现有AP芯片的USB接口，其引脚依次为VBUS/VCHG(充电管脚)、D-/DM(USB数据负脚)、D+/DP(USB数据正脚)、ID(USB ID脚)、GND(USB接地脚)。其中USB ID脚用于识别不同的电缆端点，其中，一种电缆(mini-A插头，终端作为主机)的USB ID脚接地，另一种电缆(mini-B插头，终端作为外设)的USB ID脚悬空。当移动智能终端设备检测到USB ID引脚为低电平时，表示终端作为A设备(主机)，而检测到USB ID引脚为高电平时，表示终端作为B设备(外设)，目前的技术方案中，只有移动智能终端设备作为B设备(外设)时才能被充电。
如图1所示，现有终端的AP芯片内部，所述USB ID引脚通过上拉电阻R0和二极管D0接恒压源VDD，上拉电阻R0与二极管D0并联，D0的负极与恒压源VDD相连，D0的正极与AP芯片的USB ID引脚相连，终端芯片的USB口与USB插座相连。假设AP芯片的USB ID引脚的电平为V1，则AP芯片通过检测V1的高低来判断终端是作为外设还是主机，在检测到V1为低电平时，判断终端是作为主机，在检测到V1为高电平时，判断终端是作为外设。在判断终端是作为外设时，开启USB充电功能。
在终端的USB插座连接mini-B插头时，正常情况下，USB插座的USB ID引脚悬空，终端芯片的USB ID引脚的电压V1等于电源VDD的电压Vs(比如1.8V)，由于Vs没有超过终端芯片的USB ID引脚的最大耐压Vmax(比如1.98V)，所以终端芯片的USB ID引脚不会烧坏。但是，非正常情况下，USB插座的USB ID引脚可能由于短路(比如与充电管脚短路)输入一个超过该引脚最大耐压的电压，导致烧坏USB ID引脚。USB ID引脚烧坏后，AP芯片由于不能判断终端是否作为外设，从而影响了USB接口的充电功能。
因此，实际使用过程中，经常出现终端芯片的USB ID引脚烧坏而导致终端无法通过USB口进行充电，给用户带来了极大的不便与麻烦。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种保护终端芯片USB接口的电路，能够防止终端芯片的USB ID引脚烧坏，保护终端的USB充电功能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种保护终端芯片的USB接口的电路，所述终端芯片的USB ID引脚与电源VDD之间连接第一电阻R0和第一二极管D0，所述第一电阻R0的第一端和所述第一二极管D0的正极均与所述终端芯片的USB ID引脚相连，所述第一电阻R0的第二端和所述第一二极管D0的负极均与所述电源VDD相连，其特征在于，包括：
所述终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1或第二二极管D1。
可选地，在所述终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1时，所述第二电阻R1的阻值满足下述条件：
其中，Vin是USB插座的USB ID引脚的输入电压，Vmax是终端芯片USB ID引脚的最大耐压，Ic是所述第一二极管D0在正向导通压降不超过Vmax与Vs的差值时所对应的正向导通电流的阈值，Ulow是所述终端芯片的低电平阈值，Vs是所述电源VDD的电压，R0是所述第一电阻的阻值。
可选地，在所述终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座的USB ID引脚之间连接第二二极管D1时，所述第二二极管D1的正向导通压降不超过所述终端芯片的低电平阈值。
与现有技术相比，本发明提供的一种保护终端芯片USB接口的电路，通过在终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座之间串接电阻或二极管，能够保证终端芯片的USD ID引脚的电压在其安全电压范围内，从而防止高压烧坏终端芯片的USD ID引脚，保护终端芯片的USB充电功能。
附图说明
图1为相关技术中终端的应用处理器芯片的USB接口的USB ID引脚电路示意图。
图2为本发明实施例1的一种保护终端芯片USB接口的电路示意图。
图3为本发明实施例2的一种保护终端芯片USB接口的电路示意图。
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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明的思路是：通过在终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座之间串接电阻或二极管，确保终端芯片的USD ID引脚的电压在其安全电压范围内，从而防止高压烧坏终端芯片的USD ID引脚，达到保护终端芯片的USB充电功能的效果。
实施例1
如图2所示，本发明实施例提供了一种保护终端芯片的USB接口的电路，所述终端芯片的USB ID引脚与电源VDD之间连接第一电阻R0和第一二极管D0，所述第一电阻R0的第一端和所述第一二极管D0的正极均与所述终端芯片的USB ID引脚相连，所述第一电阻R0的第二端和所述第一二极管D0的负极均与所述电源VDD相连，其特征在于，包括：
所述终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1；
其中，所述第二电阻R1的阻值满足下述条件：
其中，Vin是USB插座的USB ID引脚的输入电压，Vmax是终端芯片USB ID引脚的最大耐压，Ic是所述第一二极管D0在正向导通压降不超过Vmax与Vs的差值时所对应的正向导通电流的阈值，Ulow是所述终端芯片的低电平阈值，Vs是所述电源VDD的电压，R0是所述第一电阻的阻值；
如图2所示，在终端的USB插座连接mini-B插头时，非正常情况下，USB插座的USBID引脚可能由于短路(比如与充电管脚短路)输入一个电压Vin(比如，5V)，下面解释在所述终端芯片的USB ID引脚与所述USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1后，是如何防止芯片的USB ID引脚烧坏的，分析如下：
当USB插座上的USB ID引脚输入一个电压Vin时，如果Vin(比如，5V)高于电源VDD的电压Vs(比如，1.8V)时，第一二极管D0正向导通，终端芯片的USB ID引脚的电压V1被第一二极管D0钳位，假设第一二极管D0的正向导通电压为Vf，则V1为：
V1＝Vs+Vf；(1-1)
终端芯片的USB ID引脚具有最大耐压Vmax(比如1.98V)，如果V1超过Vmax，则会导致终端芯片的USB ID引脚烧坏。将终端芯片的USB ID引脚的最大耐压Vmax与电源VDD的电压Vs的差值作为第一二极管D0的钳位电压阈值Uc，也即:
Uc＝Vmax-Vs； (1-2)
只要第一二极管D0的正向导通压降不超过所述钳位电压阈值Uc，则终端芯片的USB ID引脚的电压V1不会超过所述最大耐压Vmax，USB ID引脚不会烧坏。
如下表1所示，二极管正向导通时，正向导通压降Vf与正向导通电流If具有相同的变化趋势。
表1
根据表1所示的数据，如果所述第一二极管D0的钳位电压阈值Uc选取为“典型值125mV、最大值180mV”，则芯片的USB ID引脚的电压不会超过Vs+Vf＝1.8V+0.18V＝1.98V，能够满足该引脚的耐压Vmax(1.98V)的要求。此时，所述第一二极管D0的正向导通电流的最大阈值Ic选取为0.1mA。
进一步进行分析，如果流过二极管的正向导通电流减小，则二极管的正向导通压降减小。因此，只要流过第一二极管D0的正向导通电流If不超过Ic，则能够确保第一二极管D0的正向导通压降Vf不超过Uc。
第一二极管D0和第一电阻R0构成一个并联电路，如果能够减小流入所述并联电路的总电流I0，则流过第一二极管D0的正向导通电流If也能够随之减小，I0如下所示：
I0＝If+IR0 (1-3)
其中，If为流过第一二极管D0的正向导通电流，IR0为流过第一电阻R0的电流。
通过为所述并联电路串联一个第二电阻R1，能够限制流过所述并联电路的总电流I0，只要保证流过所述并联电路的总电流I0不超过Ic，则流过第一二极管D0的正向导通电流If肯定小于Ic。
当USB插座上的USB ID引脚输入一个电压Vin时，假设Vin是一个定值，则当第二电阻R1的阻值减小时，流过所述第二电阻R1的电流IR1会增大，当IR1增大到等于Ic时，可以近似认为流过所述第一二极管D0的正向导通电流If增大到接近Ic，所述第一二极管D0的正向导通压降Vf增大到接近Uc，所述芯片的USB ID引脚的电压V1增大到近似等于Vs+Uc＝Vmax。根据上述近似计算，可以得到第二电阻R1的最小阻值Rmin，Rmin如下所示：
Rmin＝(Vin-Vmax)/Ic (1-4)
利用表1中的数据，当Vin为5V，Vmax为1.98V，Ic为0.1mA时，所述Rmin为30.2千欧。
因此，只要选取第二电阻R1的阻值大于或等于所述最小阻值Rmin，则能够保证第一二极管D0的钳位电压满足芯片管脚USB ID的耐压要求。
如图2所示，在终端的USB插座连接mini-A插头时，USB插座的USB ID引脚接地(相当于Vin等于0)，第一二极管D0反向截止，在没有将第二电阻R1串联在芯片的USB ID引脚和USB插座的USB ID引脚之间前，芯片的USB ID引脚的电压V1等于零，在将第二电阻R1串联在芯片的USB ID引脚和USB插座的USB ID引脚之间后，第一电阻R0和第二电阻R1构成一个分压电路，对电源VDD的电压Vs进行分压，芯片的USB ID引脚的电压V1为：
在终端的USB插座连接mini-A插头时，芯片需要判断USB ID引脚的电压V1是否为低电平；其中，芯片判断USB ID引脚电压V1为低电平的条件是：V1小于或等于低电平阈值Ulow(比如，0.7V)。因此，第二电阻R1的阻值不能超过最大阻值Rmax，所述Rmax如下所示：
因此，综合以上分析，在终端芯片的USB ID引脚与所述USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1后，当USB插座连接mini-B插头时，第一二极管D0能够发挥钳位作用，避免终端芯片的USB ID引脚电压超过芯片引脚最大耐压；当USB插座连接mini-A插头时，能够保证终端芯片的USB ID引脚的电平为低电平。
因此，所述第二电阻R1的阻值满足以下关系式：
其中，Vin是USB插座的USB ID引脚的输入电压，Vmax是终端芯片USB ID引脚的最大耐压，Ic是所述第一二极管D0在正向导通压降不超过Vmax与Vs的差值时所对应的正向导通电流的阈值，Ulow是所述终端芯片的低电平阈值，Vs是所述电源VDD的电压，R0是所述第一电阻的阻值；
实施例2
如图3所示，本发明实施例提供了一种保护终端芯片的USB接口的电路，所述终端芯片的USB ID引脚与电源VDD之间连接第一电阻R0和第一二极管D0，所述第一电阻R0的第一端和所述第一二极管D0的正极均与所述终端芯片的USB ID引脚相连，所述第一电阻R0的第二端和所述第一二极管D0的负极均与所述电源VDD相连，其特征在于，包括：
所述终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1或第二二极管D1；
其中，所述第二二极管D1的正向导通压降不超过所述终端芯片的低电平阈值。
如图3所示，在终端的USB插座连接mini-B插头时，非正常情况下，USB插座的USBID引脚可能由于短路(比如与充电管脚短路)输入一个电压Vin(比如，5V)，下面解释在所述终端芯片的USB ID引脚与所述USB插座的USB ID引脚之间连接第二二极管D1后，是如何防止芯片的USB ID引脚烧坏的，分析如下：
当USB插座上的USB ID引脚输入一个电压Vin时，如果Vin(比如，5V)高于电源VDD的电压Vs(比如，1.8V)时，第二二极管D1反向截止，终端芯片的USB ID引脚的电压V1等于电源VDD的电压Vs，由于Vs小于USB ID引脚的最大耐压Vmax，所以不会烧坏引脚。
如图3所示，在终端的USB插座连接mini-A插头时，USB插座的USB ID引脚接地，第一二极管D0反向截止，第二二极管D1正向导通，终端芯片的USB ID引脚的电压V1被第二二极管D1钳位；
假设第二二极管D1的正向导通电压为Vf，则V1为：
V1＝Vf； (3-1)
芯片判断USB ID引脚电压V1为低电平的条件是：V1小于或等于终端芯片的低电平阈值Ulow(比如，0.7V)。一般地，二极管的正向导通压降都不会超过0.7V，但是，为了更可靠地保证终端芯片的USB ID引脚为低电平，所以最好选取正向导通压降较小的二极管器件，也即，保证所述第二二极管D1的正向导通压降不超过所述终端芯片的低电平阈值。
因此，在终端芯片的USB ID引脚与USB插座的USB ID引脚之间连接第二二极管D1后，当USB插座连接mini-B插头时能够通过第二二极管D1阻断来自USB插座的输入高压，当USB插座连接mini-A插头时能够保证终端芯片的USB ID引脚的电平为低电平。
上述实施例提供的一种保护终端芯片USB接口的电路，通过在终端芯片的USB ID引脚与终端的USB插座之间串接电阻或二极管，能够确保终端芯片的USD ID引脚的电压在其安全电压范围内，从而防止高压烧坏终端芯片的USD ID引脚，保护终端芯片的USB充电功能。另一方面，通过选取阻值合适的电阻或正向导通压降合适的二极管，能够保证USB插座连接mini-A插头时，终端芯片可靠地判断终端作为主机(也即USB ID引脚电压为低电平)。
需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种保护终端芯片的USB接口的电路，所述终端芯片的USB ID引脚与电源VDD之间连接第一电阻R0和第一二极管D0，所述第一电阻R0的第一端和所述第一二极管D0的正极均与所述终端芯片的USB ID引脚相连，所述第一电阻R0的第二端和所述第一二极管D0的负极均与所述电源VDD相连，其特征在于，包括：
所述终端芯片的USB ID引脚与终端USB插座的USB ID引脚之间连接第二电阻R1；
所述第二电阻R1的阻值满足下述条件：
其中，Vin是USB插座的USB ID引脚的输入电压，Vmax是终端芯片USB ID引脚的最大耐压，Ic是所述第一二极管D0在正向导通压降不超过Vmax与Vs的差值时所对应的正向导通电流的阈值，Ulow是所述终端芯片的低电平阈值，Vs是所述电源VDD的电压，R0是所述第一电阻的阻值。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：
在所述终端USB插座连接mini-A插头时，所述终端芯片需要判断所述终端芯片的USBID引脚的电压V1是否为低电平；其中，判断USB ID引脚电压V1为低电平的条件是：V1小于或等于低电平阈值Ulow。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于：
所述V1为：
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