CN109066828B - 一种用于快速充电的usb引脚高压保护电路 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种用于快速充电的USB引脚高压保护电路，包括USB口母座、信号接口控制模块、内部电源节点VCC、过压检测模块和高压快充控制模块，内部电源节点VCC连接于过压检测模块的输入端，过压检测模块的输出端分别连接于信号接口控制模块和高压快充控制模块，信号接口控制模块连接于高压快充控制模块，USB口母座连接于信号接口控制模块，并通过泄放模块连接于内部电源节点VCC，高压快充控制模块通过功率模块连接于USB口母座。本发明不需要采用高压工艺或片外的高压隔离器件，就可解决现有高压保护技术过分依赖集成芯片高压工艺和外围器件，导致集成芯片和BOM成本增加的问题。
Description
技术领域
本发明涉及USB快速充电技术领域，具体涉及一种用于快速充电的USB引脚高压保护电路。
背景技术
近年来，USB充电技术得到了迅猛的发展，尤其是USB快速充电技术最为令人振奋。快充技术能够让以手机为代表的便携式设备的充电速度提升2-3倍，大大地改善了用户的充电体验。
目前，快充有两大主流技术，分别为高压快充和低压快充。其中高压快充基于高压输电的理论，在传输电流保持不变的情况下，通过提高传输电压达到传送更大功率的目的。高压快充由于可以兼容传统线缆的电流能力，不需要进行线缆升级，所以在快充市场中得到迅速地普及。
相对于传统的5V电压充电，高压快充提升了电压，无论是充电器还是充电设备都面临着高压带来的更多可靠性问题。其中，常见问题的有USB信号引脚，包括DP、DM、CC1、CC2等，容易受到来自VBUS高压的短路攻击而损坏。这是由于在USB接口母座中，这些信号引脚比较靠近VBUS引脚，在线缆插拔过程中或者连接中的线缆出现晃动，信号引脚都很容易跟VBUS引脚短接在一起。因此，在快速充电产品设计中，需要对USB的信号引脚进行高压保护。
现有的USB信号引脚的高压保护措施，一般是通过选用高压器件设计信号接口控制模块，但此方法要求必须选用高压工艺，并且电路设计复杂度高；另外的做法是，在集成芯片外面用昂贵的器件进行高压隔离或者电压钳位，这就增加了BOM的成本。以上两种方法都只是解决了集成芯片自身引脚耐压的问题，并不能通过有效的控制方式，及时把电压或者功率降下来，以保护连接在USB线缆另一端的设备。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于快速充电的USB引脚高压保护电路，用于解决开现有高压保护技术过分依赖集成芯片高压工艺和外围器件，导致集成芯片或者BOM成本增加的问题。
本发明的内容如下：
一种用于快速充电的USB引脚高压保护电路，包括USB口母座，还包括信号接口控制模块、内部电源节点VCC、过压检测模块和高压快充控制模块，所述内部电源节点VCC连接于所述过压检测模块的输入端，所述过压检测模块的输出端分别连接于所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块，所述信号接口控制模块连接于所述高压快充控制模块，所述USB口母座连接于所述信号接口控制模块，并通过泄放模块连接于所述内部电源节点VCC，所述高压快充控制模块通过功率模块连接于所述USB口母座；
所述过压检测模块用于检测内部电源节点VCC的电压是否超过预设的阈值，并将比较结果传递给所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块；
所述信号接口控制模块用于USB连接状态和快充协议的识别和沟通；
所述高压快充控制模块用于根据所述信号接口控制模块的输出信号对所述功率模块进行控制；
所述泄放模块用于在USB信号引脚和所述内部电源节点VCC之间生成单向的电流通路；
所述功率模块用于给设备供电或充电。
优选的，所述过压检测模块包括电压比较器，所述电压比较器的两个输入端分别连接于所述内部电源节点VCC和阈值电压，输出端分别连接于所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块。
优选的，所述内部电源节点VCC和所述过压检测模块之间设置有内部电源放电模块，所述内部电源放电模块用于在所述内部电源节点VCC到地之间生成放电通路。
优选的，所述内部电源放电模块包括二极管或场效应管。
优选的，所述泄放模块包括二极管、三极管或场效应管。
优选的，所述USB口母座通过降压模块与所述信号接口控制模块和所述泄放模块连接，所述降压模块采用降压电阻，所述降压电阻一端连接于所述USB口母座，另一端分别连接于所述信号接口控制模块和所述泄放模块。
本发明的有益效果为：本发明的USB引脚高压保护电路，不需要采用高压工艺或者片外的高压隔离器件，就可以解决现有高压保护技术过分依赖集成芯片高压工艺和外围器件，导致集成芯片和BOM成本增加的问题。
附图说明
图1所示为本发明的原理框图；
图2所示为本发明实施例1的原理框图；
图3所示为本发明实施例2的原理框图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
请参照图1，一种用于快速充电的USB引脚高压保护电路，包括USB口母座和集成芯片1，所述集成芯片1上设置有信号接口控制模块、内部电源节点VCC、过压检测模块和高压快充控制模块，所述内部电源节点VCC连接于所述过压检测模块的输入端，所述过压检测模块的输出端分别连接于所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块，所述信号接口控制模块连接于所述高压快充控制模块，所述USB口母座一方面通过降压模块2连接于所述信号接口控制模块，另一方面通过所述降压模块2和泄放模块连接于所述内部电源节点VCC，所述高压快充控制模块通过功率模块连接于所述USB口母座；
所述降压模块2用于产生压降，从而分担电流通路中的部分电压；
所述泄放模块用于在USB信号引脚和内部电源节点VCC之间生成单向的电流通路，当USB信号引脚的电压与所述内部电源节点VCC的电压之间的差值高于预设值时，电流从USB信号引脚流向所述内部电源节点VCC；
所述过压检测模块用于检测内部电源节点VCC的电压是否超过预设的阈值，并将检测结果输送到所述内部电源放电模块、所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块；
所述信号接口控制模块用于USB连接状态和快充协议的识别和沟通，并将识别信号传送到所述高压快充控制模块；
所述内部电源放电模块，用于在所述内部电源节点VCC到地之间生成放电通路；
所述高压快充控制模块用于根据所述信号接口控制模块的输出信号对所述功率模块进行控制；当USB口用于充电器端或充电设备端时，所述高压快充控制模块则控制所述功率模块选用相应的供电或充电策略。当接收到所述过压检测电路的过压信号后，高压快充控制模块及时降低输出电压或者充电功率，实现过压保护的功能；
所述功率模块采用供电模块或充电模块，用于给设备供电或充电。所述供电模块采用Buck DC-DC电路模块、Boost DC-DC电路模块、Buck-Boost DC-DC电路模块或AC-DC电路模块，所述充电电路采用开关Charger电路模块、线性Charger电路模块或NVDC架构的Charger电路模块。
在快速充电产品中，采用本发明的USB引脚高压保护电路及保护方法，可以解决现有高压保护技术过分依赖芯片高压工艺和外围器件，导致芯片和BOM成本增加的问题。另外，本发明能在检测到信号引脚出现高压后，及时降低输出电压或者充电功率，以保护连接在USB线缆另一端的设备。
为了更好的理解本发明的技术方案，以下列举较佳的实施例进行说明：
实施例1；
请参照图2，本实施例提供一种基于本发明的用于实现USB引脚高压保护的充电器，包括USB口母座、降压电阻、信号接口控制模块、泄放模块、过压检测电路、内部电源放电电路、高压快充控制模块和供电模块，所述降压电阻包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述泄放模块利用PMOS管PM1、PM2、PM3和PM4的衬底二极管实现。
本实施例中，所述USB口母座为USB type-C母座，USB信号引脚包括DP、DM、CC1和CC2。所述泄放二极管与USB信号引脚往内部电源节点VCC的ESD放电二极管复用，从而不需要额外增加集成芯片1的面积。所述过压检测模块采用电压比较器，所述电压比较器将内部电源节点VCC跟参考电压VREF做比较，从而判断VCC节点是否超过安全电压门限。所述内部电源放电模块采用NMOS开关管NM1。
当高压的VBUS跟USB信号引脚短路时，VBUS经过短路节点、降压电阻、泄放二极管把VCC的电压灌高。此时，电压比较器检测到内部电源节点VCC的电压比预设的安全电压高，并输出过压信号。于是，所述NMOS开关管NM1导通并生成由所述内部电源节点VCC到地的电流通路，电流流经降压电阻R1～R4，分担了部分VBUS的电压，使得集成芯片1的DP、DM、CC1和CC2信号引脚的电压不超过安全电压。高压快充控制模块接收到比较器输出的过压信号后，控制供电模块的输出电压降低到安全电压。另外，信号接口控制模块通过快充协议复位或者USB掉线等通信方式中断本次快充连接，但此过程不一定能通信成功，取决于对应的通信引脚是否跟VBUS短路。
实施例2：
请参照图3，本实施例提供一种基于本发明的用于实现USB引脚过压保护的充电设备，包括USB口母座、降压电阻、信号接口控制模块、泄放模块、过压检测模块、内部电源放电模块、高压快充控制模块和充电模块，所述降压电阻包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，所述泄放模块包括二极管D1、D2、D3和D4。
与实施例1不同的是，本实施例中，所述泄放二极管选用普通的扩散二极管实现。所述内部电源放电模块，用齐纳二极管Zener串接电阻R5实现，齐纳二极管Zener的反向击穿电压比USB信号引脚的安全电压至少低一个二极管压降，但比正常的VCC电压高。电压比较器检测到电阻R5两端出现一定的压差，则认为信号引脚出现过压，从而输出过压信号。高压快充控制模块接收到过压信号后，及时关掉充电模块，以降低输入功率。同时，信号接口控制模块通过快充协议复位或者USB掉线等通信方式中断本次快充连接，使得充电器端输出电压恢复到5V的安全电压，但此过程不一定能通信成功，取决于对应的通信引脚是否跟VBUS短路。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (4)
1.一种用于快速充电的USB引脚高压保护电路，包括USB口母座，其特征在于：还包括信号接口控制模块、内部电源节点VCC、过压检测模块和高压快充控制模块，所述内部电源节点VCC连接于所述过压检测模块的输入端，所述过压检测模块的输出端分别连接于所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块，所述信号接口控制模块连接于所述高压快充控制模块，所述USB口母座连接于所述信号接口控制模块，并通过泄放模块连接于所述内部电源节点VCC，所述高压快充控制模块通过功率模块连接于所述USB口母座；
所述过压检测模块用于检测内部电源节点VCC的电压是否超过预设的阈值，并将比较结果传递给所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块；
所述信号接口控制模块用于USB连接状态和快充协议的识别和沟通；
所述高压快充控制模块用于根据所述信号接口控制模块的输出信号对所述功率模块进行控制；
所述泄放模块用于在USB信号引脚和所述内部电源节点VCC之间生成单向的电流通路；
所述功率模块用于给设备供电或充电；
所述过压检测模块包括电压比较器，所述电压比较器的两个输入端分别连接于所述内部电源节点VCC和阈值电压，输出端分别连接于所述信号接口控制模块和所述高压快充控制模块；
所述USB口母座通过降压模块（2）与所述信号接口控制模块和所述泄放模块连接，所述降压模块（2）采用降压电阻，所述降压电阻一端连接于所述USB口母座，另一端分别连接于所述信号接口控制模块和所述泄放模块。
2.如权利要求1所述的用于快速充电的USB引脚高压保护电路，其特征在于：所述内部电源节点VCC和所述过压检测模块之间设置有内部电源放电模块，所述内部电源放电模块用于在所述内部电源节点VCC到地之间生成放电通路。
3.如权利要求2所述的用于快速充电的USB引脚高压保护电路，其特征在于：所述内部电源放电模块包括二极管或场效应管。
4.如权利要求1所述的USB引脚高压保护电路，其特征在于：所述泄放模块包括二极管、三极管或场效应管。
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