CN113900871A - 一种检测usb设备插入的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测USB设备插入的电路及方法，包括电源模块，MCU模块，协议模块，插入检测模块，以及USB接口；电源模块的通讯引脚连接协议模块的通讯引脚；协议模块的D+、D‑引脚分别连接USB接口的D+、D‑引脚；插入检测模块分别连接电源模块的输出引脚和USB接口的VCC引脚；MCU模块的ADC引脚连接插入检测模块，其GPIO引脚连接电源模块和协议模块的使能引脚；且插入检测模块用于检测连接电源模块和USB接口的电阻R2的电压，并发送至MCU模块；MCU模块根据接收到的电压值，判断USB接口上是否有USB设备插入，并控制电源模块和协议模块的工作状态，有效的节约了电能，延长了电池组的寿命和电路的寿命。

Description

一种检测USB设备插入的电路及方法

技术领域

本发明涉及一种检测USB设备插入的电路，以及利用该检测电路的检测USB设备插入的方法。

背景技术

USB母座是目前普遍使用的一种连接插座，是便携式USB电源等户外产品必备的端口，广泛应用于充电或数据交换等场景，常见USB-type A和USB-type C的形状如图1a、1b所示。利用该USB母座给外接USB设备充电的原理如图2所示，电源模块通过功率线连接USB母座，且电源模块通讯连接协议模块，协议模块通讯连接USB母座。其中，电源模块可以采用DC/DC模块，也可以采用AC/DC模块，常见的DC/DC芯片有SC8103，SC8815，TPS56339，BQ25731等；协议模块主要用于和USB设备通讯，确定USB设备需要哪一种充电电压和功率，常见的芯片有sc2001，cyp3171，FP6601Q等，常见的协议方式有BC1.2，QC2.0，QC3.0，Dash，WARP等。

一般情况下，为了减少功耗，便携式USB电源在未使用时是不会启动电源模块的，直至有USB设备插入，常用的控制方法有：

1、使用按键控制：待USB设备插入便携式电源后，按一下便携式电源上的电源按键，即可对USB设备进行充电。但是，按键需要人为操作，使用起来不够方便。

2、使用自带插入检测功能的电源芯片或者协议芯片：此法需要给电源芯片或者协议芯片进行供电，尤其协议芯片需要持续耗能，增大了能源的损耗。

故而亟待设计出一种新的USB插入检测电路，检测到USB母座插入设备后再启动电源模块。

发明内容

针对上述现存的技术问题，本发明提供一种检测USB设备插入的电路及方法，在USB母座接口处增加插入检测电路，通过MCU模块检测输出等效电阻电压的变化，来判断是否有USB设备的插入，并实现对USB电源工作状态的控制。

为实现上述目的，本发明提供一种检测USB设备插入的电路，包括电源模块，MCU模块，协议模块，插入检测模块，以及USB接口；检测USB设备插入的电路，其特征在于，包括电源模块，MCU模块，协议模块，插入检测模块，以及USB接口；

所述的电源模块的通讯引脚连接协议模块的通讯引脚；

所述的协议模块的D+、D-引脚分别连接USB接口的D+、D-引脚；

所述的插入检测模块分别连接电源模块的输出引脚和USB接口的VCC引脚；

所述的MCU模块的ADC引脚连接插入检测模块，其GPIO引脚连接电源模块和协议模块的使能引脚；

且插入检测模块用于检测连接电源模块和USB接口的电阻R2的电压，并发送至MCU模块；MCU模块根据接收到的电压值，判断USB接口上是否有USB设备插入，并控制电源模块和协议模块的工作状态。

上述技术方案中，电源模块用于为各模块供电。协议模块用于识别插入USB接口的USB设备所需的充电方式，并通知电源模块以匹配方式的供电。插入检测模块用于检测电源模块和USB接口之间的输出等效电阻两端的电压，并传送至MCU模块。MCU模块用于根据输出等效电阻两端的电压，判断USB接口上是否有USB设备插入，并控制电源模块和协议模块的工作状态。

并且，上述技术方案的工作原理如下：由于USB设备(内部主回路有开关器件的除外)都设有一个输入等效电阻，故本发明利用带有USB插座接口的设备(如后备式储能系统、充电宝、电脑等)的输出等效电阻在USB设备插入后会发生变化的特点，来判断是否有USB设备插入，并通过MCU模块控制电源模块和协议模块的工作状态做出相应的调整，使得电源模块在无USB设备插入时可以进入省电模式，从而实现整个系统超低待机功耗。

进一步，所述的插入检测模块包括电阻R2、二极管D1和差分放大电路；电源模块的输出引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接USB接口的VCC引脚；3.3V供电端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻R2的一端；电阻R2的一端和另一端分别连接差分放大电路的正、负输入端，差分放大电路的输出端连接MCU模块ADC引脚。

上述技术方案中，差分放大电路的作用是采集电阻R2两端的电压并放大，然后发送至MCU模块进行识别。

更进一步，所述的差分放大电路包括电压比较器U；电阻R2的一端和另一端分别经电阻R4、R5连接电压比较器U的同相输入端和反向输入端；电压比较器U的同相输入端经电阻R3接地，其反向输入端连接其输出端；电压比较器U的负输入端接地，其正输入端分别连接3.3V电源和电容C1一端，电容C1另一端接地；电压比较器U的输出端经电阻R7和电容C3接地，且电阻R7和电容C3的公共端连接MCU模块ADC引脚。

进一步，所述的插入检测模块还包括低功耗开关电路；MCU模块的GPIO引脚连接低功耗开关电路的输入端，低功耗开关电路的输出端连接电阻R2的两端；MCU模块判断USB接口上有USB设备插入时，通过低功耗开关电路关断电阻R2。

上述技术方案中，低功耗开关电路的作用是在有USB设备插入时关断电阻R2，从而降低功率回路上的能耗。

更进一步，所述的低功耗电路包括驱动芯片和MOS管Q1；MCU模块的GPIO引脚连接驱动芯片的INPUT引脚，驱动芯片的GATE引脚连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的源极和漏极分别连接电阻R2的一端和另一端。

上述技术方案中，MOS管Q1也可以是其他开关器件，如三极管，IGBT，继电器等。

本发明还提供一种利用所述电路的检测USB设备插入的方法，包括如下具体步骤：

S1、在MCU模块中设定电阻R2两端电压的设定值；

S2、插入检测模块检测电阻R2两端的电压，并发送至MCU模块；

S3、MCU模块判断电阻R2两端的电压是否高于设定值；

S4、若否，则MCU模块认为没有USB设备插入，使电源模块和协议模块处于非工作状态；

若是，则MCU模块认为有USB设备插入，使电源模块和协议模块进入工作状态，电源模块经协议模块和USB接口向USB设备供电。

进一步，所述的步骤S4中：若否，MCU模块还控制MOS管Q1截止；若是，MCU模块还控制MOS管Q1导通，从而关断电阻R2。

综上，本发明可以自动检测USB设备是否插入，并且在无USB设备插入时，电源模块可以进入省电模式，从而实现整个系统的超低待机功耗。

相比现有技术，本发明的技术优势如下：

1、可以自动检测是否有USB设备的接入，省去了硬件按键，使用更加智能方便。

2、在USB接口没有USB设备插入时，电源模块和协议模块均不工作，进入了省电模式。

3、在USB接口有USB设备插入时，能够关断检测点的电阻R2，降低了功率回路的能耗，有效的节约了电能。

4、延长了电池组的寿命和电路的寿命，并且提高了整个系统使用的安全性。

附图说明

图1a为现有技术中USB-typeA的结构示意图；

图1b为现有技术中USB-typeC的结构示意图；

图2为现有技术中USB电源的原理框图；

图3为本发明电路的原理框图；

图4为本发明电路的实施例图；

图5为本发明电路的差分放大电路图；

图6为本发明方法的流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3所示，本发明包括电源模块，MCU模块，协议模块，插入检测模块，以及USB接口，其中：

所述的电源模块分别连接协议模块和插入检测模块，用于为各模块供电。实施时，电源模块选择常见的、可用于USB充电的芯片均可，如：sc8815，sc8812等。

所述的协议模块连接USB接口，用于识别插入USB接口的USB设备所需的充电方式，并通知电源模块以匹配方式的供电。实施时，协议模块选择常见的、可用于USB充电的芯片均可，如：sc2001，cypd3171等。并且，协议模块调整电源模块输出的方式一般有两种：1、协议通信：电源模块和协议模块之间通过IIC、SCI等方式进行通讯；2、调整反馈电阻：协议模块改变电源模块反馈电阻的阻值。

所述的插入检测模块分别连接电源模块、USB接口和MCU模块，用于检测电源模块和USB接口之间的输出等效电阻两端的电压，并发送至MCU模块。该插入检测模块也可以通过电流传感器检测功率回路的电流，然后电流和电阻的积便是输出等效电阻两端的电压。

所述的MCU模块分别连接电源模块和协议模块，用于采集输出等效电阻两端的电压，并根据电压值判断USB接口上是否有USB设备插入，控制电源模块和协议模块的工作状态。实施时，MCU模块选择具有ADC功能和GPIO端口的芯片，如STM8，89C52，STM32等。

如图4、5所示，本发明实施例电路的具体连接关系如下：

电源模块的通讯引脚连接协议模块的通讯引脚；协议模块的D+引脚和D-引脚分别连接USB接口的D+引脚和D-引脚；且电源模块、协议模块和USB接口的GND引脚均连接电线接地端GND。

电源模块的输出引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接USB接口的VCC引脚。该电阻R2即为USB电源的输出等效电阻。

给芯片供电的3.3V供电端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻R2的一端，且电阻R2的一端和另一端为电压检测点+和电压检测点-，用于连接差分放大电路。

该差分放大电路具体如下：电压检测点+、电压检测点-分别经电阻R4、R5连接电压比较器U的同相输入端和反向输入端；电压比较器U的同相输入端经电阻R3接地，其反向输入端连接其输出端；电压比较器U的负输入端连接电线接地端GND，其正输入端分别连接3.3V电源和电容C1的一端，电容C1的另一端连接电线接地端GND；电压比较器U的输出端经电阻R7和电容C3连接电线接地端GND，且电阻R7和电容C3的公共端为电压检测点；该电压检测点连接MCU模块的ADC引脚。

上述差分放大电路的作用是采集电阻R2两端的电压并放大，然后由MCU模块采集得到线路中R2的电压值，并识别是否插入USB设备。

MCU模块的GPIO引脚连接电源模块和协议模块的使能引脚，故而MCU模块能够控制电源模块和协议模块的工作状态。本发明也可以通过控制电源模块和协议模块的供电口来实现此功能。

MCU模块还连接有低功耗电路，具体如下：MCU模块的GPIO引脚连接驱动芯片的INPUT引脚，驱动芯片的GATE引脚连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的源极和漏极分别连接电阻R2的一端和另一端。在常规电路，由于MOS管的源极没有接地，因此需要外接驱动芯片才能控制MOS管Q1，驱动芯片的作用只是为了实现MCU模块对MOS管Q1的控制。实施时，驱动芯片采用UC3875，MIC5019等芯片，或者搭建驱动电路代替，如三极管腾柱驱动电路。MOS管也可以是其他开关器件，如三极管，IGBT，继电器等。

本发明电路对于带有MCU的USB接口设备，可以通过检测串入电源模块母线中的电阻R2分压的大小，来判断是否有USB设备插入USB接口中，具体电路控制原理如下。

当USB接口没有USB设备插入时，USB接口处于断开状态，由于MCU提供的3.3V供电端通过二极管D1与USB设备的充电回路连接，所以此时USB接口的VCC引脚的对地电压为3.3V，电阻R2两端的电压几乎为0V。

当MCU通过插入检测模块采集到电阻R2两端的电压很小时，则判断USB接口没有USB设备插入，继而通过驱动芯片控制MOS管Q1处于截止状态，并通过使能引脚控制电源模块和协议模块都不工作。

当USB接口有USB设备插入时，USB接口处于导通状态，由于电源模块输出端的电压大于3.3V，以及二极管D1的存在，电源模块输出端的电流不会流向3.3V供电端，而是从电阻R2上流至USB接口，此时电阻R2和USB接口进行分压，电阻R2两端存在电压差。

当MCU通过插入检测模块采集到电阻R2两端的电压大于3.3V时，则判断USB接口有USB设备插入，控制电源模块和协议模块工作，同时控制MOS管Q1处于导通状态，这样一来，电阻R2就不会在功率回路上消耗电能了。

如图6所示，本发明方法检测USB设备接入状态的具体流程如下：

S1、在MCU模块中设定电阻R2两端电压的设定值。由于电阻R2的阻值很大，阻值一般在500-1k之间，其电压设定值可以在1到3.3V之间。

S2、插入检测模块检测电阻R2两端的电压，并发送至MCU模块；

S3、MCU模块判断电阻R2两端的电压是否高于设定值；

S4-1、若否，则MCU模块认为没有USB设备插入，并通过使能引脚，使电源模块和协议模块处于非工作状态；进一步，MCU模块还控制MOS管Q1截止。

上述工作过程的原理如下：因为在没有USB设备插入的情况下，USB接口的VCC引脚的对地电压为3.3V，电阻R2两端的电压几乎为0V；当MCU模块采集到电阻R2两端的电压很小就说明了没有USB设备插入。

S4-2、若是，则MCU模块认为有USB设备插入，使电源模块和协议模块进入工作状态，电源模块经协议模块和USB接口向USB设备供电；进一步，MCU模块还控制MOS管Q1导通，从而关断电阻R2。

上述工作过程的原理如下：大多数电路都会设计成输入电阻很大，输出电阻很小。因此USB接口插入USB设备时，由于USB设备的等效输入电阻比较大，使得USB接口的VCC引脚和GND引脚之间电阻比较大；而USB接口无USB设备插入时，USB接口的VCC引脚和GND引脚之间是短路，表示电阻无穷大。

由于电阻R2的阻值很大，在USB接口有USB设备插入的情况下，电阻R2和USB设备的输入电阻对3.3V供电端进行分压，使得电阻R2两端的电压值发生改变。当MCU模块通过电压采集电路发现电阻R2电压值改变时，MCU模块会认为当前有USB设备插入，进而通过驱动芯片控制MOS管Q1导通。这样一来，电阻R2就被MOS管Q1短路了，电流只能经过MOS管Q1，同时MCU模块控制电源模块和协议模块开始工作，电源模块的充电电流经过MOS管Q1输出到USB接口输出端，从而实现充电功能。

由此可见，本发明省去了按键操作，使用更加方便，并且可以减少功耗，达到省电的效果，延长了产品的使用寿命。此外，本发明检测USB设备插入的电路和方法也适用于其他需要USB连接才可以供电的装置。

以上该实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种检测USB设备插入的电路，其特征在于，包括电源模块，MCU模块，协议模块，插入检测模块，以及USB接口；

所述的电源模块的通讯引脚连接协议模块的通讯引脚；

所述的协议模块的D+、D-引脚分别连接USB接口的D+、D-引脚；

所述的插入检测模块分别连接电源模块的输出引脚和USB接口的VCC引脚；

所述的MCU模块的ADC引脚连接插入检测模块，其GPIO引脚连接电源模块和协议模块的使能引脚；

且插入检测模块用于检测连接电源模块和USB接口的电阻R2的电压，并发送至MCU模块；MCU模块根据接收到的电压值，判断USB接口上是否有USB设备插入，并控制电源模块和协议模块的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种检测USB设备插入的电路，其特征在于，所述的插入检测模块包括电阻R2、二极管D1和差分放大电路；

电源模块的输出引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接USB接口的VCC引脚；

3.3V供电端连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接电阻R2的一端；

电阻R2的一端和另一端分别连接差分放大电路的正、负输入端，差分放大电路的输出端连接MCU模块ADC引脚。

3.根据权利要求2所述的一种检测USB设备插入的电路，其特征在于，所述的差分放大电路包括电压比较器U；

电阻R2的一端和另一端分别经电阻R4、R5连接电压比较器U的同相输入端和反向输入端；

电压比较器U的同相输入端经电阻R3接地，其反向输入端连接其输出端；

电压比较器U的负输入端接地，其正输入端分别连接3.3V电源和电容C1一端，电容C1另一端接地；

电压比较器U的输出端经电阻R7和电容C3接地，且电阻R7和电容C3的公共端连接MCU模块ADC引脚。

4.根据权利要求2或3所述的一种检测USB设备插入的电路，其特征在于，所述的插入检测模块还包括低功耗开关电路；

MCU模块的GPIO引脚连接低功耗开关电路的输入端，低功耗开关电路的输出端连接电阻R2的两端；

MCU模块判断USB接口上有USB设备插入时，通过低功耗开关电路关断电阻R2。

5.根据权利要求4所述的一种检测USB设备插入的电路，其特征在于，所述的低功耗电路包括驱动芯片和MOS管Q1；

MCU模块的GPIO引脚连接驱动芯片的INPUT引脚，驱动芯片的GATE引脚连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的源极和漏极分别连接电阻R2的一端和另一端。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述电路的检测USB设备插入的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

S1、在MCU模块中设定电阻R2两端电压的设定值；

S2、插入检测模块检测电阻R2两端的电压，并发送至MCU模块；

S3、MCU模块判断电阻R2两端的电压是否高于设定值；

S4、若否，则MCU模块认为没有USB设备插入，使电源模块和协议模块处于非工作状态；

若是，则MCU模块认为有USB设备插入，使电源模块和协议模块进入工作状态，电源模块经协议模块和USB接口向USB设备供电。

7.根据权利要求6所述的一种检测USB设备插入的方法，其特征在于，所述的步骤S4中：若否，MCU模块还控制MOS管Q1截止；

若是，MCU模块还控制MOS管Q1导通，从而关断电阻R2。

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