CN116010323A - 一种具有降温功能的usb扩展坞及其降温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于USB扩展坞领域，涉及具有降温功能的USB扩展坞及降温方法，USB扩展坞包括：通过电气连接的MCU控制模块和温度检测模块，MCU控制模块包括IO控制单元、NTC数据接收单元、PWM调压电路，温度检测模块包括NTC热敏电阻检测电路和热插拔检测电路，MCU控制模块用于读取NTC数据和控制输出电压，温度检测模块用于检测具有降温功能的USB扩展坞的温度，IO控制单元用于控制输出电压，NTC数据接收单元用于读取NTC数据，PWM调压电路用于通过PWM方式调节输出电压。产品温升明显下降，可以主动降低功耗，从而使得整个产品功耗低、产品使用寿命长，提升用户使用满意度。

Description

一种具有降温功能的USB扩展坞及其降温方法

技术领域

本发明涉及USB扩展坞技术领域，更具体地说，涉及一种具有降温功能的USB扩展坞及其降温方法。

背景技术

USB扩展坞也叫做端口复制器，是指从USB接口上扩展出其他接口的设备，如音频输入输出接口、视频输出接口、蓝牙、COM或LPT接口、读卡器、网卡以及更多的USB接口。同时还可以为其它设备充电，比如说手机、平板电脑、音乐播放器等。

目前多数USB扩展坞都不会主动降低产品温度，多数芯片在没有下行设备时，不会主动降低功耗，从而导致整个产品功耗高、产品使用寿命也低，用户体验差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于目前多数USB扩展坞都不会主动降低产品温度，多数芯片在没有下行设备时，不会主动降低功耗，针对现有技术的上述的缺陷，一方面，本发明提供一种具有降温功能的USB扩展坞，包括：

通过电气连接的MCU控制模块和温度检测模块，所述MCU控制模块包括IO控制单元、NTC数据接收单元、PWM调压电路，所述温度检测模块包括NTC热敏电阻检测电路和热插拔检测电路，所述MCU控制模块用于读取NTC数据和控制输出电压，所述温度检测模块用于检测所述具有降温功能的USB扩展坞的温度，所述IO控制单元用于控制输出电压，所述NTC数据接收单元用于读取NTC数据，所述PWM调压电路用于通过PWM方式调节输出电压，所述NTC热敏电阻检测电路用于检测电阻的变化，所述热插拔检测电路用于检测热插拔信号。

优选地，所述IO控制单元还包括通过电气连接的MCU控制芯片电路、MCU升级电路及MCU供电电路。

优选地，所述MCU控制芯片电路包括：MCU。

优选地，所述MCU升级电路包括：电阻R8与电容C181串联连接。

优选地，所述MCU供电电路包括：三端稳压器U1的引脚1与电容C53的一端连接，三端稳压器U1的引脚2分别与电容C29的一端、电容C51的一端连接，三端稳压器U1的引脚3分别与电容C52的一端、电容C53的一端连接。

优选地，所述所述NTC热敏电阻检测电路包括：电阻R2的一端分别与热敏电阻R1的一端、电容C1的一端连接。

优选地，所述热插拔检测电路包括：电阻R6与电阻R4串联连接。

优选地，所述NTC数据接收单元包括：电阻R2的一端分别与热敏电阻R1的一端、电容C1的一端连接。

优选地，所述PWM调压电路包括：电容C75的一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C75的另一端、电阻R3的一端、电阻R2的一端连接，电阻R3的另一端分别与电容C76的一端、电阻R4的一端连接。

另一方面，本发明提供一种具有降温功能的USB扩展坞降温方法，包括：

将所述USB扩展坞初始化，设置所述USB扩展坞的温度保护阈值；

由温度检测模块检测当前温度，由NTC数据接收单元获取当前温度值；

判断所述当前温度值是否超过所述温度保护阈值，是则启动PWM调压电路；

由IO控制单元将当前温度控制到低于所述温度保护阈值。

实施本发明的具有降温功能的USB扩展坞及其降温方法，具有以下有益效果：产品温升明显下降，可以主动降低功耗，从而使得整个产品功耗低、产品使用寿命长，提升用户使用满意度。

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示出的结构获得其他的附图。下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明具有降温功能的USB扩展坞的结构示意图；

图2是本发明具有降温功能的USB扩展坞中MCU控制芯片电路电路图；

图3是本发明具有降温功能的USB扩展坞中MCU升级电路电路图；

图4是本发明具有降温功能的USB扩展坞中MCU供电电路电路图；

图5是本发明具有降温功能的USB扩展坞中经过PWM调压电路调压后输出1.2V电压的电路图；

图6是本发明具有降温功能的USB扩展坞中经过PWM调压电路调压后输出3.3V电压的电路图；

图7是本发明具有降温功能的USB扩展坞中使用的PWM控制原理示意图；

图8是本发明具有降温功能的USB扩展坞中NTC 热敏电阻检测电路电路图；

图9是本发明具有降温功能的USB扩展坞中热插拔检测电路电路图；

图10是本发明具有降温功能的USB扩展坞降温方法流程图。

图中，1-MCU控制模块，2-温度检测模块，10-IO控制单元，11-NTC数据接收单元，12-PWM调压电路，20-NTC热敏电阻检测电路，21-热插拔检测电路，101-MCU升级电路，102-MCU控制芯片电路，103-MCU供电电路。

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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

请参阅图1，为本发明具有降温功能的USB扩展坞的结构示意图。如图1所示，在本发明第一实施例提供的具有降温功能的USB扩展坞中，至少包括：通过电气连接的MCU控制模块和温度检测模块，MCU控制模块包括IO控制单元、NTC数据接收单元、PWM调压电路，温度检测模块包括NTC热敏电阻检测电路和热插拔检测电路，MCU控制模块用于读取NTC数据和控制输出电压，温度检测模块用于检测具有降温功能的USB扩展坞的温度，IO控制单元用于控制输出电压，NTC数据接收单元用于读取NTC数据，PWM调压电路用于通过PWM方式调节输出电压，NTC热敏电阻检测电路用于检测电阻的变化，热插拔检测电路用于检测热插拔信号。

IO控制单元还包括通过电气连接的MCU控制芯片电路、MCU升级电路及MCU供电电路。图2是本发明具有降温功能的USB扩展坞中MCU控制芯片电路电路图。如图2所示，MCU控制芯片电路包括：MCU。MCU 包括但是不限于N76E003、Stm32F030、CH552等，只要能够输出PWM波形的都可以，本实施例选择N76E003。N76E003引脚9分别与电容C5的一端、电容C178的一端连接，电压输入为DC3.3V。N76E003无需外接时钟晶振，只需要复位电路即可构成最小系统，复位电路同样使用10K的电阻和10uf的电容，按钮按下实现N76E003硬件复位。N76E003中有两颗LED，电源LED和GPIO LED，调试代码时可以点亮GPIO LED来指示程序的运行状态。N76E003是新唐高速1T 8051 单片机系列产品，18 KB Flash ROM，可配置DataFlash与高容量1 KB SRAM，支持2.4V至5.5V宽工作电压与- 40℃至105℃工作温度，并具备高抗干扰能力 7 kVESD/4 kV EFT。N76E003在20 pin封装下提供高达18根I/O脚位；周边包含双串口、SPI、IC、6通道 PWM 输出。

图3是本发明具有降温功能的USB扩展坞中MCU升级电路电路图。如图3所示，MCU升级电路包括：电阻R8与电容C181串联连接。bootloader程序烧录到MCU存储区，方便ISP升级。ISP升级协议为标准的文件传输协议，通过串口即可实现程序的升级。通过配置BOOT引脚不同电平即可设置不同MCU启动方式。ISP模式下，把BOOT0设置为1，把BOOT1设置为0,即可实现MCU升级功能。

图4是本发明具有降温功能的USB扩展坞中MCU供电电路电路图。如图4所示，MCU供电电路包括：三端稳压器U1的引脚1与电容C53的一端连接，三端稳压器U1的引脚2分别与电容C29的一端、电容C51的一端连接，三端稳压器U1的引脚3分别与电容C52的一端、电容C53的一端连接。本实施例中，三端稳压器U1选择AMS1117-3.3。AMS1117的稳压调整管由一个PNP驱动的NPN管组成，有固定和可调两个版本可用。AMS1117提供电流限制和热保护，电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。AMS1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封装。AMS1117输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。AMS1117可调电压的版本，通过两个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。固定输出电压可以是：1.2V，1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V和5.0V。AMS1117-3.3是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，适用于高效率线性稳压器。

图5是本发明具有降温功能的USB扩展坞中使用的PWM控制原理示意图。如图5所示，频率一定，在一个周期内，D=t/T，D表示占空比，那么有输出电压等于阴影部分电压，通过调节占空比达到调节电压的目的。

当温度值超过55摄氏度时，MCU控制IO端口输出电压的占空比用来调节各个功能芯片的核心电压，使之降低到规定电压的最小值；如HUB芯片核心电压为1.35-1.15V，单片机调节供给核心电压的供电电路，使核心电压降低到1.15V。控制电路如下：

调压原理是：单片机生成一定频率的PWM波形，通过调节高电平的占空比来调节电压。如果占空比为0%，则低电平持续，电压为零；如果占空比为100%，则高电平持续，电压为振幅VCC。

调压原理以图5为例进行说明。如图5中右边虚线框部分为PWM调压电路，电阻R1、R2为分压电阻，Buk_PWM为调压信号，电源芯片为MP2229，VFB为0.6V。电源芯片MP2229正常工作时，MP_FB点的电压由两部分提供，Vout (VBuck_out)和Vp(VBuk_PWM),利用叠加定理可得：

化简后可得：

上式可看作为一个一次函数，函数如下：

Vout＝b－kVp，其中b=，k=。

从而得到了输出电压Vout与Vp之间的关系，根据Vout与Vp关系图可得取值电阻值。

图6是本发明具有降温功能的USB扩展坞中经过PWM调压电路调压后输出1.2V电压的电路图。如图6所示，其中PWM调压电路包括：电容C75的一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C75的另一端、电阻R3的一端、电阻R2的一端连接，电阻R3的另一端分别与电容C76的一端、电阻R4的一端连接。根据线性关系Vout＝b－kVp，（Vout=1.2V），

1）当Vp=0时，Vout=b；

2）当Vout=0时，Vp=b/K；

根据1）和2），可计算得到R1（通常为10k欧姆以内）、R2、R3、R4的值。

3）可计算Vp的值：Vpmax =3.3V，CLK = 10KHz，Vp = Vpmax*Duty（占空比）。

图7是本发明具有降温功能的USB扩展坞中经过PWM调压电路调压后输出3.3V电压的电路图。如图7所示，其中PWM调压电路包括：电容C3的一端与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端分别与电容C3的另一端、电阻R10的一端、电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端分别与电容C2的一端、电阻R13的一端连接。根据线性关系Vout＝b－kVp，（Vout=3.3V），

1）当Vp=0时，Vout=b；

2）当Vout=0时，Vp=b/K；

根据1）和2），可计算得到R11（通常为10k欧姆以内）、R10、R12、R13的值。

3）可计算Vp的值：Vpmax =3.3V，CLK = 10KHz，Vp = Vpmax*Duty（占空比）。

NTC数据接收单元负责读取NTC数据。NTC数据接收单元包括：NTC（NegativeTemperature Coefficient，即负温度系数）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。如NTC热敏电阻。在本实施例中，NTC数据接收单元可以包括：电阻R2的一端分别与热敏电阻R1的一端、电容C1的一端连接。读取电阻R1与电阻R2产生的分压，由于R1是负温度系数电阻，温度升高阻值变小，分压值也相应的降低。MCU内部ADC模块根据读取到的电压值，转化成对应的16进制数。本实施例中，热敏电阻R1为NTC负温度系数传感器，选择MEB14-103F3380，具有红色漆包线，环氧树脂包封型的NTC热敏电阻，大小为14mm，阻值是10K，具有负温度系数特性。

图8是本发明具有降温功能的USB扩展坞中NTC 热敏电阻检测电路电路图。如图8所示，NTC热敏电阻检测电路包括：电阻R2的一端分别与热敏电阻R1的一端、电容C1的一端连接。电阻R2的一端分别与热敏电阻R1的一端、电容C1的一端连接。读取电阻R1与电阻R2产生的分压，由于R1是负温度系数电阻，温度升高阻值变小，分压值也相应的降低。本实施例中，热敏电阻R1为NTC负温度系数传感器，选择MEB14-103F3380，具有红色漆包线，环氧树脂包封型的NTC热敏电阻，大小为14mm，阻值是10K，具有负温度系数特性。

图9是本发明具有降温功能的USB扩展坞中热插拔检测电路电路图。如图9所示，热插拔检测电路包括：电阻R6与电阻R4串联连接。电阻R6与电阻R4，均作为分压电阻，当USB进行热插拔动作时，POWER_AD PIN脚会产出分压值，MCU接收到电压变化，说明有插拔动作。

实施本实施例，通过设置通过电气连接的MCU控制模块和温度检测模块，MCU控制模块包括IO控制单元、NTC数据接收单元、PWM调压电路，温度检测模块包括NTC热敏电阻检测电路和热插拔检测电路，由MCU控制模块读取NTC数据和控制输出电压，温度检测模块检测具有降温功能的USB扩展坞的温度，IO控制单元控制输出电压，NTC数据接收单元读取NTC数据，PWM调压电路通过PWM方式调节输出电压，NTC热敏电阻检测电路检测电阻的变化，热插拔检测电路检测热插拔信号，这样可以使得产品温升明显下降，可以主动降低功耗，从而使得整个产品功耗低、产品使用寿命长，提升用户使用满意度。

实施例二

图10是本发明具有降温功能的USB扩展坞降温方法流程图。如图10所示，具有降温功能的USB扩展坞降温方法，由实施例一所述的具有降温功能的USB扩展坞执行。如图10所示，一种具有降温功能的USB扩展坞降温方法，包括步骤：

S1、将USB扩展坞初始化，设置USB扩展坞的温度保护阈值。

USB扩展坞初始化内容，可以包括：设置温度保护阈值为0-55摄氏度；设置PWM工作频率在10KHz；设置PWM33占空比为0%，调节3.3V电压初始状态不需要调压；设置PWM12占空比为0%，调节1.2V电压初始状态不需要调压等。

S2、由温度检测模块检测当前温度，由NTC数据接收单元获取当前温度值。

如设置温度阈值（0-55摄氏度），通过查表得到对应热敏电阻阻值（27.51k-3.54k）范围，常温25摄氏度阻值10K。再由电阻分压电路得到对应电压。

S3、判断当前温度值是否超过温度保护阈值，是则启动PWM调压电路。

例如当温度超过55摄氏度时启动PWM调压电路。

S4、由IO控制单元将当前温度控制到低于温度保护阈值。

IO控制单元还包括通过电气连接的MCU控制芯片电路、MCU升级电路及MCU供电电路。IO控制单元通过调节PWM调压电路的PWM输出的占空比来控制输出电压，直到将当前温度控制到低于温度保护阈值为止。通过调节PWM调压电路的PWM输出的占空比来控制输出电压，请参见实施例一，此处不再赘述。

本发明通过以上实施例的设计，其有益效果是：通过首先将USB扩展坞初始化，设置USB扩展坞的温度保护阈值；再由温度检测模块检测当前温度，由NTC数据接收单元获取当前温度值；然后判断当前温度值是否超过温度保护阈值，是则启动PWM调压电路；最后由IO控制单元将当前温度控制到低于温度保护阈值，可以主动降低功耗，从而使得整个产品功耗低，产品温升明显下降，产品使用寿命长，提升用户使用满意度。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (10)

1.一种具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，包括：

通过电气连接的MCU控制模块和温度检测模块，所述MCU控制模块包括IO控制单元、NTC数据接收单元、PWM调压电路，所述温度检测模块包括NTC热敏电阻检测电路和热插拔检测电路，所述MCU控制模块用于读取NTC数据和控制输出电压，所述温度检测模块用于检测所述具有降温功能的USB扩展坞的温度，所述IO控制单元用于控制输出电压，所述NTC数据接收单元用于读取NTC数据，所述PWM调压电路用于通过PWM方式调节输出电压，所述NTC热敏电阻检测电路用于检测电阻的变化，所述热插拔检测电路用于检测热插拔信号。

2.根据权利要求1所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述IO控制单元还包括通过电气连接的MCU控制芯片电路、MCU升级电路及MCU供电电路。

3.根据权利要求2所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述MCU控制芯片电路包括：MCU。

4.根据权利要求2所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述MCU升级电路包括：电阻R8与电容C181串联连接。

5.根据权利要求2所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述MCU供电电路包括：三端稳压器U1的引脚1与电容C53的一端连接，三端稳压器U1的引脚2分别与电容C29的一端、电容C51的一端连接，三端稳压器U1的引脚3分别与电容C52的一端、电容C53的一端连接。

6.根据权利要求1所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述NTC热敏电阻检测电路包括：电阻R2的一端分别与热敏电阻R1的一端、电容C1的一端连接。

7.根据权利要求1所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述热插拔检测电路包括：电阻R6与电阻R4串联连接。

8.根据权利要求1所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述NTC数据接收单元包括：电阻R2的一端分别与热敏电阻R1的一端、电容C1的一端连接。

9.根据权利要求1所述的具有降温功能的USB扩展坞，其特征在于，所述PWM调压电路包括：电容C75的一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C75的另一端、电阻R3的一端、电阻R2的一端连接，电阻R3的另一端分别与电容C76的一端、电阻R4的一端连接。

10.一种具有降温功能的USB扩展坞降温方法，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的具有降温功能的USB扩展坞，并且执行以下步骤：

将USB扩展坞初始化，设置所述USB扩展坞的温度保护阈值；

由温度检测模块检测当前温度，由NTC数据接收单元获取当前温度值；

判断所述当前温度值是否超过所述温度保护阈值，是则启动PWM调压电路；

由IO控制单元将当前温度控制到低于所述温度保护阈值。

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