CN114268159A - 一种高可靠性支持精准限流控制的车载usb充电产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，包括USB电源芯片以及限流保护电路，USB电源芯片的输入端与电源输入接口电连接，USB电源芯片的输出端经开关与输出接口电连接，限流保护电路用于检测输出电流，当负载线上达到电流阈值控制开关进行关断，移除大功率USB负载后可以自动开启，保护了USB充电产品本身和车身的用电安全，电源输入接口与USB电源芯片的输入端之间设有电源保护电路，解决车载USB充电产品的电气试验性能和EMC试验性能，本发明还添加了温控电路，通过选择合适的温敏电阻可以感知产品本身的负载情况，当USB充电产品本身负载较大造成产品温升超过一定范围时，实现电源的切断，保护了USB充电产品本身和车身的用电安全。
Description
技术领域
本发明属于车载USB充电领域，具体涉及一种高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品。
背景技术
目前车载的USB充电产品在车上应用比较普及，市面上大部分的USB充电产品直接从导航大屏取电，这样的应用有以下缺陷：
1.导航上取电已经不能满足车辆USB供电需求，如豪华大巴车，每个座位要求能进行USB供电，由于车身布置原因，从导航取电已经不现实。
2.市面上很多产品并不是按车载的要求进行的设计，往往忽略了抗车载ISO7637-2 P1-P5脉冲、EMC干扰等问题，在使用过程中如果直接使用市面上的产品，产品本身容易受到车身浪涌的影响，充电产品容易损坏，也可能对负载造成损坏，另一方面USB产品的抗干扰能力和辐射干扰其他设备的问题市面上很多产品是不满足要求的。
3.目前的USB充电芯片部分不带限流保护，带限流保护的芯片本身的限流阈值很高，USB外接大功率负载时，如果不注意限流，芯片不停升温，等达到芯片限流阈值时，外围的续流二极管和功率电感容易达到饱和，甚至烧毁。同时USB充电芯片的寿命缩短，所以有必要在达到USB充电芯片的限流保护阈值前设置好输出电流上限，限制大功率USB负载的接入，可以延长USB充电产品的使用寿命，同时也避免了车身电瓶的快速亏电。
4.车规级USB充电芯片的保护阈值在150度左右，接外部负载充电时间长，功率较大，USB充电产品本身会比较烫，另外随着使用环境温度升高，USB充电产品的效率降低，进一步造成充电产品过热，如果持续过热，USB充电产品的寿命会大大降低，加入精准的温控措施，设置一个温度限值，当产品温度达到某个值时自动关断，温度降低自动恢复供电。
发明内容
本发明涉及一种高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，至少可解决现有技术的部分缺陷。
为解决前述问题，本发明提供一种技术方案：本发明公开了一种高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，包括电源输入接口、输出接口、USB电源芯片以及限流保护电路，所述USB电源芯片的输入端与电源输入接口电连接，所述USB电源芯片的输出端经开关与输出接口电连接，所述限流保护电路用于检测向外供给负载的输出电流，并与预置的第一阈值进行比较后输出控制信号给开关，用于控制开关的通断。
进一步地，所述限流保护电路包括采样电路以及第一比较器，所述采样电路用于检测向外供给负载的输出电流，所述采样电路的输出端与第一比较器的第一输入端连接，第一比较器的第二输入端与第一阈值连接，所述第一比较器的输出端与开关连接，用于控制开关的通断。
进一步地，所述限流保护电路包括电阻R1、减法电路、第一比较器，所述电阻R1串联在USB电源芯片的输出端与开关的一端之间，开关的另一端输出接口电连接，所述减法电路的一个输入端与电阻R1的一端连接，所述减法电路的另一个输入端与电阻R1的另一端连接，所述减法电路的输出端与第一比较器的第一输入端连接，第一比较器的第二输入端连接第一阈值电压；所述电阻R1为毫欧级电阻；第一比较器采用由运算放大器组成的比较器。
进一步地，本发明的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品还包括温控电路，所述温控电路用于检测产品温度,并与预置的第二阈值进行比较后输出控制信号给开关，用于控制开关的通断。
进一步地，所述限流保护电路的输出端、温控电路的输出端与开关的控制端之间设有或门电路；或门电路的两个输入端分别与限流保护电路的输出端、温控电路的输出端连接，或门电路的输出端与开关的控制端连接。
进一步地，所述或门电路包括第一二极管、第二二极管，所述第一二极管的正极与限流保护电路的输出端连接，第一二极管的负极与开关的控制端连接，第二二极管的正极与温控电路的输出端连接，第二二极管的负极与开关的控制端连接。
进一步地，所述温控电路包括温敏电阻、第二比较器，所述温敏电阻的一端分别与第一电阻的一端、第二比较器的第一输入端连接，第一电阻的另一端连接电源，温敏电阻的另一端接地，所述第二比较器的第二输入端连接第二阈值电压；第二比较器采用由运算放大器组成的比较器。
进一步地，电源输入接口与USB电源芯片的输入端之间设有电源保护电路；所述电源保护电路包括TVS管D2、共模滤波电路、差模滤波电路，所述TVS管D2的负极与电源输入接口的正极连接，所述TVS管D2的正极与电源输入接口的负极连接，所述共模滤波电路包括用于抑制高频共模干扰的共模电感L1，所述差模滤波电路包括差模电感L2、电容C5、电容C6，共模电感L1的两个输入端分别与电源输入接口的正极、负极连接，共模电感L1的一个输出端接地，共模电感L1的另一个输出端与差模电感L2的一端连接，共模电感L1的另一个输出端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地，差模电感L2的另一端分别与电容C5的一端、电容C6的一端以及USB电源芯片的输入端连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端接地，组成用于抑制低频差模噪声干扰的LC滤波电路。
进一步地，所述电源保护电路包括防反接二极管D1，防反接二极管D1的正极与电源输入接口的正极连接，防反接二极管D1的负极分别与TVS管D2的负极以及共模电感L1的一个输入端连接；
所述电源保护电路包括电容C1、电容C2，所述电容C1的一端与电源输入接口的正极连接，所述电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端
与电源输入接口的负极连接，并接地。
进一步地，所述输出接口为USB接口；USB电源芯片采用DC/DC芯片电路。
进一步地，本发明的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品还包括壳体和PCBA板，所述PCBA板位于壳体内，所述壳体上设有第一接口安装槽和第二接口安装槽，所述电源输入接口固定在壳体上的第一接口安装槽中，所述输出接口固定在壳体上的第二接口安装槽中；所述电源输入接口用于与车身电瓶连接。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明设置了电源保护电路，含防反接二极管、TVS管、共模滤波电路、差模滤波电路，能通过12V/24V的车载产品要求的电气试验、EMC实验（如7637-2、ESD、传导辐射、大电流注入、辐射抗扰），解决车载USB充电产品的电气试验性能和EMC试验性能。
本发明添加了限流保护电路，通过计算选择合适的电阻可以给向外供给负载的输出电流提供一个比较精确的电流阈值，该值小于USB电源芯片的限流保护阈值，当负载线上达到电流阈值控制开关进行关断，移除大功率USB负载后可以自动开启，保护了USB充电产品本身和车身的用电安全。
本发明添加了温控电路，通过计算选择合适的温敏电阻可以感知产品本身的负载情况，当USB充电产品本身负载较大造成产品温升超过一定范围时，实现电源的切断，保护了USB充电产品本身和车身的用电安全。
本发明的USB充电产品的电源输入接口用于与车身电瓶连接，使USB充电产品从传统的导航产品的附属功能真正独立出来作为一个独立的产品适用于各种车辆的各个位置的安装，体积小，外部接口简单，安全性高，可靠耐用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品的限流保护电路和温控电路的电路示意图；
图2为本发明实施例提供的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品的电源保护电路的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
参见图1，本发明实施例提供一种高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，包括电源输入接口、输出接口、USB电源芯片以及限流保护电路，所述电源输入接口用于与车身电瓶连接，所述USB电源芯片的输入端与电源输入接口电连接，所述USB电源芯片的输出端经开关与输出接口电连接，所述限流保护电路用于检测向外供给负载的输出电流，并与预置的第一阈值进行比较后输出控制信号给开关，用于控制开关的通断。USB电源芯片采用BUCK DC/DC芯片电路。本发明的Buck DC-DC采用专门的USB充电芯片+快充协议控制芯片构成，USB输出电流能力根据实际的需求选择合适的降压型电源芯片型号。
进一步地，所述限流保护电路包括采样电路以及第一比较器，所述采样电路用于检测向外供给负载的输出电流，所述采样电路的输出端与第一比较器的第一输入端连接，第一比较器的第二输入端与第一阈值连接，所述第一比较器的输出端与控制开关连接，用于控制开关的通断。
进一步地，所述限流保护电路包括电阻R1、减法电路、第一比较器，所述电阻R1串联在USB电源芯片的输出端与开关的一端之间，开关的另一端输出接口电连接，输出路径上电流经过毫欧级的电阻，电阻两端会行成压差，所述减法电路的一个输入端与电阻R1的一端连接，所述减法电路的另一个输入端与电阻R1的另一端连接，所述减法电路的输出端与第一比较器的第一输入端连接，第一比较器的第二输入端连接第一阈值电压；所述电阻R1为毫欧级电阻。本实施例的第一比较器的第二输入端与第一电阻分压网络连接，由第一电阻分压网络预置第一阈值电压。第一电阻分压网络包括电阻R2和电阻R3，电阻R2的一端与电源（本实施例为USB电源芯片的输出端VCC_5V0）连接，电阻R2的另一端与电阻R3的一端以及第一比较器的第二输入端连接，电阻R3的另一端接地。即本实施例的采样电路包括电阻R1和减法电路。第一比较器采用由运算放大器组成的比较器。
本实施例的减法电路采用由运算放大器构建的减法运算电路。减法电路采集电阻R1两端的电压，产生压差信号（V1-V2），通过第一比较器将压差信号（V1-V2）与第一阈值电压进行比较，当输出链路上的电流增大，则电阻R1两端压差V1-V2增大，达到第一电阻分压网络预置的第一阈值时，第一比较器A2发生电平翻转从而实现输出功率MOS管电路的关闭，直到外部大功率USB负载移除，比较器恢复翻转前电平，电路自动开启。
本发明加入运放组成的电路实现不依赖于芯片自身的保护功能，对USB充电产品带负载能力有限制，既要避免正常的使用，也不能盲目外接大电流负载，造成使用寿命直线下降。
进一步地，本发明的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品还包括温控电路，所述温控电路用于检测产品温度,并与预置的第二阈值进行比较后输出控制信号给开关，用于控制开关的通断。 本发明当温控电路检测到产品PCB上的温度达到某个设定的阈值，USB充电产品自动关闭，等温控电路感知到PCB温度降下来，USB充电产品自动开启工作。
进一步地，所述限流保护电路的输出端、温控电路的输出端与开关的控制端之间设有或门电路；或门电路的两个输入端分别与限流保护电路的输出端、温控电路的输出端连接，或门电路的输出端与开关的控制端连接。当输出电流达到第一阈值或者产品温度达到第二阈值时，或门电路输出控制信号控制开关断开。
本实施例的限流保护电路的输出端与第一二极管的正极连接，温控电路的输出端与第二二极管的正极连接，第一二极管的负极以及第二二极管的负极均与开关的控制端连接。
进一步地，所述温控电路包括温敏电阻、第二比较器，所述温敏电阻的一端分别与电阻R6的一端、第二比较器的第一输入端连接，电阻R6的另一端连接电源（本实施例为USB电源芯片的输出端VCC_5V0），温敏电阻的另一端接地，所述第二比较器的第二输入端连接第二阈值电压。本实施例的第二比较器的第二输入端与第二电阻分压网络连接，由第二电阻分压网络预置第二阈值电压（如2.5V）。第二电阻分压网络包括电阻R4和电阻R5，电阻R4的一端与电源（本实施例为USB电源芯片的输出端VCC_5V0）连接，电阻R4的另一端与电阻R5的一端以及第二比较器的第二输入端连接，电阻R5的另一端接地。第二比较器采用由运算放大器组成的比较器。
进一步地，电源输入接口与USB电源芯片的输入端之间设有电源保护电路；参见图2，所述电源保护电路包括TVS管D2、共模滤波电路、差模滤波电路，所述TVS管D2的负极与电源输入接口的正极连接，所述TVS管D2的正极与电源输入接口的负极连接，所述共模滤波电路包括用于抑制高频共模干扰的共模电感L1，所述差模滤波电路包括差模电感L2、电容C5、电容C6，共模电感L1的两个输入端分别与电源输入接口的正极、负极连接，共模电感L1的一个输出端接地，共模电感L1的另一个输出端与差模电感L2的一端连接，共模电感L1的另一个输出端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地，差模电感L2的另一端分别与电容C5的一端、电容C6的一端以及USB电源芯片的输入端连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端接地，组成用于抑制低频差模噪声干扰的LC滤波电路。
本实施例的TVS管D2用于抑制车身电源输入的瞬态干扰。共模电感L1采用500-700mH的大感值共模电感可以有效的抑制高频共模干扰，同时实现外部地和车身的地的分割，47uH-100uH的大感值的差模电感L2与电解电容和陶瓷电容用于组成LC滤波抑制低频差模噪声干扰。差模电感L2用于抑制差模干扰。电容C5、电容C6用于实现电源低频滤波。
进一步地，所述电源保护电路包括防反接二极管D1，防反接二极管D1的正极与电源输入接口的正极连接，防反接二极管D1的负极分别与TVS管D2的负极以及共模电感L1的一个输入端连接。防反接二极管（正向电流3A）用于防止电源反接导致影响车身其他部件。
进一步地，所述电源保护电路包括电容C1、电容C2，所述电容C1的一端与电源输入接口的正极连接，所述电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与电源输入接口的负极连接，并接地。电容C1、电容C2为高电压陶瓷电容。本发明在电源入口处添加高电压陶瓷电容C1、C2，用于抑制电源高频噪声，改善EMC传导性能。
进一步地，所述输出接口为USB接口。本实施例的输出接口采用耐高温的以及插拔次数达到10000次的USB标准接口。
进一步地，电源输入接口采用2PIN的连接器，用于完成12V/24V电源和地的输入。
进一步地，本发明的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品还包括壳体和PCBA板，所述PCBA板位于壳体内，所述壳体上设有第一接口安装槽和第二接口安装槽，所述电源输入接口固定在壳体上的第一接口安装槽中，所述输出接口固定在壳体上的第二接口安装槽中。壳体包括内置卡槽式盒体和上盖，PCBA板通过卡槽插入盒体，前盖通过三组卡扣，实现整个PCBA的装配和固定。
本发明的工作原理为：如图1，限流输出电路包含电流传感器电路，采用一个2512封装千分之五精度的毫欧级电阻R1串接在输出链路上，通过运放组成的减法电路A1采集毫欧级电阻两端的电压，产生的V1-V2信号与预置的电阻分压网络进行比较，当输出链路上的电流增大，毫欧级电阻两端压差V1-V2增大，达到电阻分压网络预置的阈值时，比较器A2发生电平翻转从而实现输出功率MOS管电路的关闭，直到外部大功率USB负载移除，比较器恢复翻转前电平，电路自动开启。温控电路主要由温敏电阻与比较器电路组成，运放组成的比较器A3一端预置电平2.5V，另一端采用固定阻值电阻与正温度系数的温敏电阻组成分压网络，当温度升高时，电阻阻值增大，温敏电阻上电压增大，等于2.5V时A3发生电平翻转，与限流电路的输出通过二极管形成或门电路，当输出电流达到限值或者USB充电产品温度达到设置值时，都可以对USB充电产品进行保护，USB充电产品输出关断后，产品温度降下来，比较器A3电平反转，输出正常打开 。
本发明的USB充电产品是按车载的要求进行设计的，使用时直接从车身电瓶取电，可应用于12V/24V系统的汽车/商用车、大巴车等车载USB充电领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：包括电源输入接口、输出接口、USB电源芯片以及限流保护电路，所述USB电源芯片的输入端与电源输入接口电连接，所述USB电源芯片的输出端经开关与输出接口电连接，所述限流保护电路用于检测向外供给负载的输出电流，并与预置的第一阈值进行比较后输出控制信号给开关，用于控制开关的通断。
2.如权利要求1所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：所述限流保护电路包括电阻R1、减法电路、第一比较器，所述电阻R1串联在USB电源芯片的输出端与开关的一端之间，开关的另一端输出接口电连接，所述减法电路的一个输入端与电阻R1的一端连接，所述减法电路的另一个输入端与电阻R1的另一端连接，所述减法电路的输出端与第一比较器的第一输入端连接，第一比较器的第二输入端连接第一阈值电压；所述电阻R1为毫欧级电阻；第一比较器采用由运算放大器组成的比较器。
3.如权利要求1所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：还包括温控电路，所述温控电路用于检测产品温度,并与预置的第二阈值进行比较后输出控制信号给开关，用于控制开关的通断。
4.如权利要求3所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：所述限流保护电路的输出端、温控电路的输出端与开关的控制端之间设有或门电路；或门电路的两个输入端分别与限流保护电路的输出端、温控电路的输出端连接，或门电路的输出端与开关的控制端连接。
5.如权利要求4所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：所述或门电路包括第一二极管、第二二极管，所述第一二极管的正极与限流保护电路的输出端连接，第一二极管的负极与开关的控制端连接，第二二极管的正极与温控电路的输出端连接，第二二极管的负极与开关的控制端连接。
6.如权利要求3所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：所述温控电路包括温敏电阻、第二比较器，所述温敏电阻的一端分别与第一电阻的一端、第二比较器的第一输入端连接，第一电阻的另一端连接电源，温敏电阻的另一端接地，所述第二比较器的第二输入端连接第二阈值电压；第二比较器采用由运算放大器组成的比较器。
7.如权利要求1所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：电源输入接口与USB电源芯片的输入端之间设有电源保护电路；所述电源保护电路包括TVS管D2、共模滤波电路、差模滤波电路，所述TVS管D2的负极与电源输入接口的正极连接，所述TVS管D2的正极与电源输入接口的负极连接，所述共模滤波电路包括用于抑制高频共模干扰的共模电感L1，所述差模滤波电路包括差模电感L2、电容C5、电容C6，共模电感L1的两个输入端分别与电源输入接口的正极、负极连接，共模电感L1的一个输出端接地，共模电感L1的另一个输出端与差模电感L2的一端连接，共模电感L1的另一个输出端与电容C3的一端连接，电容C3的另一端与电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地，差模电感L2的另一端分别与电容C5的一端、电容C6的一端以及USB电源芯片的输入端连接，电容C5的另一端、电容C6的另一端接地，组成用于抑制低频差模噪声干扰的LC滤波电路。
8.如权利要求7所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：所述电源保护电路包括防反接二极管D1，防反接二极管D1的正极与电源输入接口的正极连接，防反接二极管D1的负极分别与TVS管D2的负极以及共模电感L1的一个输入端连接；
所述电源保护电路包括电容C1、电容C2，所述电容C1的一端与电源输入接口的正极连接，所述电容C1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端
与电源输入接口的负极连接，并接地。
9.如权利要求1所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：所述输出接口为USB接口；USB电源芯片采用DC/DC芯片电路；所述开关采用MOS管。
10.如权利要求1所述的高可靠性支持精准限流控制的车载USB充电产品，其特征在于：还包括壳体和PCBA板，所述PCBA板位于壳体内，所述壳体上设有第一接口安装槽和第二接口安装槽，所述电源输入接口固定在壳体上的第一接口安装槽中，所述输出接口固定在壳体上的第二接口安装槽中；所述电源输入接口用于与车身电瓶连接。
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