CN108319186A - 一种usb设备的过流保护装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种USB设备的过流保护装置及方法，其通过电流检测模块的MCU控制可变负载电路使其负载逐渐增加，供电电压检测电路检测USB供电器的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路向MCU发送信号，通知其USB供电器即将限流保护；MCU接收信号后获取USB供电器的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB从设备的后级模块的功耗，避免后级模块的功耗超过USB供电器的限流值。

Description

一种USB设备的过流保护装置及方法
技术领域
本发明涉及一种过流保护装置，具体涉及一种USB设备的过流保护装置及方法。
背景技术
负载，是指连接在电路中的电源两端的电子元件，其把电能转换成其他形式的能。常用的负载有电阻、引擎和灯泡等可消耗功率的元件。MCU，为微控制单元(Microcontroller Unit) ，又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
USB供电器是指带有USB接口，能够给USB从设备主动供电的设备；而USB从设备是指必须由USB供电器供电的设备。目前，大部分USB供电器，如电脑、平板或者USB充电器，其USB接口都带有过流保护功能：一旦USB接口的负载过大，就会切断USB供电，保护USB接口不被损坏。USB接口在进行过流保护时，会切断端USB供电器对USB从设备的供电，而在无电源的情况下，USB从设备就会停止工作。这也就导致了用户在使用USB从设备时，USB会突然停止工作，这就降低了用户体验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种USB设备的过流保护装置及方法，其可以避免USB从设备超过USB供电器的最大限流，避免USB从设备在使用过程中被切断供电，提高用户体验。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种USB设备的过流保护装置，其包括USB供电器和USB从设备，所述USB供电器与USB从设备通过USB接口连接，所述USB从设备设有电流检测模块和后级模块，所述后级模块连接电流检测模块，而电流检测模块包括MCU、供电电压检测电路和可变负载电路；所述可变负载电路连接MCU，所述供电电压检测电路连接MCU。
所述供电电压检测电路由电阻R10、电阻R11、电阻R12和三极管Q2构成，所述三极管Q2的基极经电阻R10连接USB供电器的供电电压V_USB，同时，三极管Q2的基极经由电阻R11接地；所述三极管Q2的集电极经电阻R12连接USB供电器的供电电压V_USB，同时三极管Q2的集电极连接MCU的输入端；而三极管Q2的发射极接地。
所述可变负载电路由运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和MOS管Q1构成，所述MOS管的源极经电阻R4连接USB供电器的供电电压V_USB，MOS管的栅极经电阻R1连接运算放大器U1A的输出端，MOS管的漏极经由电阻R3接地，同时，MOS管的漏极经由电阻R2连接运算放大器U1A的反向输入端；所述MCU内部DAC输出端一方面经由电容C1接地，另一方面连接运算放大器的同向输入端；所述电阻R3两端连并联接有电容C2。
所述可变负载电路由电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5构成，所述三极管Q5的基极连接MCU的接口IO3，发射极接地，而集电极经由依次串联在一起的R7、R6和R5后连接USB供电器的供电电压V_USB；所述三极管Q4的基极连接MCU的接口IO2，发射极接地，而集电极连接于电阻R6和电阻R7之间；所述三极管Q3的基极连接MCU的接口IO1，发射极接地，而集电极连接于电阻R5和R6之间。
所述USB从设备为USB Phone。
一种USB设备的过流保护方法，其采用上述USB设备过流保护装置，当USB供电器给USB从设备上电瞬间，电流检测模块的MCU控制可变负载电路使其负载逐渐增加，供电电压检测电路检测供电器的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路向MCU发送信号，通知其USB供电器即将限流保护；MCU接收信号后获取USB供电器的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB从设备的后级模块的功耗，限制后级模块的功耗超过USB供电器的限流值。
采用上述方案后，本发明的USB设备的过流保护装置包括USB供电器和USB从设备，USB从设备设有电流检测模块和后级模块，而电流检测模块包括MCU、供电电压检测电路和可变负载电路；本发明USB供电器在给USB从设备供电时，通过USB从设备的MCU、可变负载电路和供电电压检测电路之间相互配合，实现了USB从设备主动检测USB供电器的最大限流，并且可以记录这个限值，使得USB从设备的后级模块能够根据该最大限流值限制自身的功耗，有效避免USB从设备超过USB供电器的最大限流，避免USB从设备在使用过程中被切断供电，提高用户体验。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明供电电压检测电路图；
图3为本发明可变负载电路图；
图4为本发明另一可变负载电路图；
图5为本发明USB从设备为USB Phone时的结构框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明揭示了一种USB设备的过流保护装置，其包括USB供电器1和USB从设备2，USB供电器1与USB从设备2通过USB接口连接，其中，USB从设备2设有电流检测模块21和后级模块22，后级模块22连接电流检测模块21，而电流检测模块21包括MCU211、供电电压检测电路213和可变负载电路212，可变负载电路212连接MCU211，供电电压检测电路213连接MCU211；当USB供电器1给USB从设备2上电瞬间，电流检测模块21的MCU211控制可变负载电路212使其负载逐渐增加，供电电压检测电路213检测USB供电器1的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路213向MCU211发送信号，通知其USB供电器1即将限流保护；MCU211接收信号后获取USB供电器1的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB从设备2的后级模块22的功耗，避免后级模块22的功耗超过USB供电器1的限流值。
图2为电流检测模块的供电电压检测电路213的具体电路图，根据图2所示，供电电压检测电路213由电阻R10、电阻R11、电阻R12和三极管Q2构成，其中三极管Q2的基极一方面经电阻R10连接USB供电器的供电电压V_USB，另一方面经由电阻R11接地；三极管Q2的集电极一方面经电阻R12连接USB供电器的供电电压V_USB，另一方面连接MCU的输入端；而三极管Q2的发射极接地。
上述供电电压检测电路213的工作原理是：电阻R10和电阻R11对USB供电器的供电电压V_USB进行分压，当供电电压V_USB的电压正常时，Q2导通，对MCU输入低电平；当V_USB的电压逐步降低到R11两端的电压小于三极管Q2基极和发射极之间的导通电压时，Q2关断，给MCU输入的电平从低到高，MCU获知此时USB供电器已输出极限电流。
图3为电流检测模块的可变负载电路212的第一种实施方式的具体电路图，在该实施方式中，MCU211通过内部的DAC模块输出可变的电压，控制可变负载电路212，MCU211输出的电压越大，负载越重。根据图3所示，可变负载电路212由运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和MOS管Q1构成，其中，MOS管的源极经电阻R4连接USB供电器的供电电压V_USB，MOS管的栅极经电阻R1连接运算放大器U1A的输出端，MOS管的漏极一方面经由电阻R3接地，另一方面经由电阻R2连接运算放大器U1A的反向输入端。在电阻R3两端并联连接有电容C2；MCU内部DAC输出端一方面经由电容C1接地，另一方面连接运算放大器的同向输入端。
上述可变负载电路212的原理是：MCU211的内部DAC输出的电压Vdac经过电容C1滤除高频噪声后进入运算放大器U1A的同向输入端，由于运放的“虚短”,运算放大器U1A 的反向输入端和正向输入端的电位相等，此处用运放做了1：1的缓冲，电阻R2是一个预留电阻，因此最终降到电阻R3上的电压是Vdac，运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2电阻R3、电阻R4、电容C2和三极管Q1构成的恒流源电路的电流值为Vdac/R3，C2的作用是去除R3上电压的抖动，Q1处于放大区给R3提供合适的电流，R4的作用为分压。当MCU输出的Vdac变化时，这个电路的电流也会随之改变。
图4为电流检测模块的可变负载电路212的第二种实施方式的具体电路图，在该实施方式中，MCU211通过控制IO接口的输出来控制可变负载电路212的负载大小。根据图4所示，可变负载电路由电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5构成，其中，三极管Q5的基极连接MCU的接口IO3，发射极接地，而集电极经由依次串联在一起的R7、R6和R5后连接USB供电器的供电电压V_USB；三极管Q4的基极连接MCU的接口IO2，发射极接地，而集电极连接于电阻R6和电阻R7之间；三极管Q3的基极连接MCU的接口IO1，发射极接地，而集电极连接于电阻R5和R6之间。
该实施方式中的可变负载电路的原理是：当MCU控制其IO接口，使接口IO1输出为高电平，接口IO3输出为高电平；此时，三极管Q3导通，对于USB供电器而言负载值等于R5；当MCU控制其IO接口，使接口IO1为低电平，接口IO2为高电平；此时，三极管Q3截止，三极管Q4导通，相对于USB供电器而言负载为R5+R6；当MCU控制其IO接口，使其接口IO1、接口IO2为低电平，接口IO3为高电平；此时，三极管Q3、三极管Q4截止，三极管Q5导通，相对于USB供电器而言负载等于R5+R6+R7。
在该实施方式的基础上，还可以继续增加三极管和电阻的数量，以进一步提高负载的变化精度。
采用上述USB设备过流保护电路结构，实现了USB从设备2主动检测USB供电器1的最大限值电流，并记录这个电流值，USB从设备2主动根据最大限制电流限制自己的功耗，避免USB从设备2因功耗太大而被切断电源，从而提高了用户体验。
本发明USB设备过流保护电路结构中的USB从设备2根据用户的使用需求而有所不同，在此，本发明将提供USB从设备2的一种具体实施方式，即USB从设备2为USB Phone3。USBPhone3是一种连接于电脑USB接口、能够通过语音软件拨打网上任一其他电脑实现PC toPC免费通话或者通过VOIP软件拨打全球任一普通电话和手机的新一代通讯产品。
如图5所示，采用上述过流保护电路的USB Phone3，在其连接USB供电器1时，电流检测模块21的MCU211控制可变负载电路212使其负载逐渐增加，供电电压检测电路213检测USB供电器1的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路213向MCU211发送信号，通知其USB供电器1即将限流保护；MCU211接收信号后获取USB供电器1的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB Phone3的音频模块31的功耗，MCU211通过限制外部DAC输出的最大音量，来避免超过USB供电器的限流值。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种USB设备的过流保护装置，其包括USB供电器和USB从设备，所述USB供电器与USB从设备通过USB接口连接，其特征在于：所述USB从设备设有电流检测模块和后级模块，所述后级模块连接电流检测模块，而电流检测模块包括MCU、供电电压检测电路和可变负载电路；所述可变负载电路连接MCU，所述供电电压检测电路连接MCU。
2.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述供电电压检测电路由电阻R10、电阻R11、电阻R12和三极管Q2构成，所述三极管Q2的基极经电阻R10连接USB供电器的供电电压V_USB，同时，三极管Q2的基极经由电阻R11接地；所述三极管Q2的集电极经电阻R12连接USB供电器的供电电压V_USB，同时三极管Q2的集电极连接MCU的输入端；而三极管Q2的发射极接地。
3.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述可变负载电路由运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和MOS管Q1构成，所述MOS管的源极经电阻R4连接USB供电器的供电电压V_USB，MOS管的栅极经电阻R1连接运算放大器U1A的输出端，MOS管的漏极经由电阻R3接地，同时，MOS管的漏极经由电阻R2连接运算放大器U1A的反向输入端；所述MCU内部DAC输出端一方面经由电容C1接地，另一方面连接运算放大器的同向输入端；所述电阻R3两端连并联接有电容C2。
4.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述可变负载电路由电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5构成，所述三极管Q5的基极连接MCU的接口IO3，发射极接地，而集电极经由依次串联在一起的R7、R6和R5后连接USB供电器的供电电压V_USB；所述三极管Q4的基极连接MCU的接口IO2，发射极接地，而集电极连接于电阻R6和电阻R7之间；所述三极管Q3的基极连接MCU的接口IO1，发射极接地，而集电极连接于电阻R5和R6之间。
5.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述USB从设备为USB Phone。
6.一种USB设备的过流保护方法，其特征在于：其采用权利要求1至5任一所述的USB过流保护装置，当USB供电器给USB从设备上电瞬间，电流检测模块的MCU控制可变负载电路使其负载逐渐增加，供电电压检测电路检测供电器的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路向MCU发送信号，通知其USB供电器即将限流保护；MCU接收信号后获取USB供电器的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB从设备的后级模块的功耗，限制后级模块的功耗超过USB供电器的限流值。
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