CN202257555U - 一种usb终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种USB终端，其包括用于基带USB功能模块、电池、USB插座、双向过压保护模块、升压模块和场效应管；所述USB插座分别与双向过压保护模块和基带USB功能模块连接，所述双向过压保护模块分别与场效应管的源极和栅极连接，场效应管的漏极与基带USB功能模块连接，场效应管的栅极接地；所述电池与升压模块连接，所述升压模块还与双向过压保护模块连接。本实用新型提供的USB终端在不增加USB终端的接口的前提下既实现了USB终端的从设备功能，又实现了USB的主机功能，且能够外接大功率设备。

Description

一种USB终端

技术领域

本实用新型涉及具有USB功能的终端，特别涉及一种USB终端。

背景技术

USB（Universal Serial BUS，通用串行总线） OTG（ON-THE-GO，正在进行中）2.0协议中规定，当USB OTG设备做主设备（Host）使用时，USB功能模块（High-Speed USB Controller + ULPI Hi-Speed USB transceiver）对外部设备的最大供电电流为100mA，此时可以外接鼠标，U盘等小功耗设备。但是当USB终端外接USB硬盘或者3G（3rd-generation，第三代移动通信技术）上网卡等这样的大功率设备时，该USB终端将无法带动这类大功率设备。

目前可以通过在USB终端上外加一个专用的USB HOST功能器件，再通过USB HOST功能器件的USB接口外接上述大功率设备，但不管是从接口数量还是成本考虑，上述做法都不是最佳选择。而且目前的手持终端（如手机或者平板电脑）都向小型化、低成本化方向发展，终端上的接口越少越好。

因此，如何使手持终端既能实现USB的从设备（slave）功能又要实现USB的HOST功能且能够外接大功率设备（如USB硬盘），而且希望终端上的接口更少是本领域的研究方向之一。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种USB终端，能在不增加接口的提前下，实现USB终端的Host功能和Slave功能，并且在实现Host功能时，还能够外接USB硬盘类大功率设备。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种USB终端，其中，包括：

用于实现数据传输功能的基带USB功能模块；

用于供电的电池；

用于与外部设备连接的USB插座；

用于提供双向电压保护的双向过压保护模块；

用于将所述电池输出的电压和电流转换为外部设备供电所需的电压和电流的升压模块；

用于控制USB插座的供电通路的通断的场效应管；

所述USB插座分别与双向过压保护模块和基带USB功能模块连接，所述双向过压保护模块分别与场效应管的源极和栅极连接，场效应管的漏极与基带USB功能模块连接，场效应管的栅极接地；所述电池与升压模块连接，所述升压模块还与双向过压保护模块连接。

所述的USB终端，其中，还包括电源开关模块和反向电路，所述电源开关模块的输入端与升压模块的输出端连接，电源开关模块的输出端分别与双向过压保护模块和场效应管的栅极连接，使能端通过所述反向电路与所述USB插座的标识端连接。

所述的USB终端，其中，所述反向电路包括一三极管，所述三极管的基极与USB插座的标识端连接，集电极分别与双向过压保护模块的正向模式输入端、升压模块的使能端、电源开关模块的使能端连接，所述三极管的集电极还通过上拉电阻接高电平，发射极接地。

所述的USB终端，其中，在场效应管的栅极和源极之间串接有第一二极管，所述第一二极管的正极与场效应管的栅极连接，负极分别与场效应管的源极和双向过压保护模块连接。

所述的USB终端，其中，所述升压模块包括升压芯片、电感、第二二极管、第一电阻和第二电阻；所述升压芯片的电源端与电池的输出端连接，使能端与所述三极管的集电极连接，反馈端通过第一电阻接地，所述反馈端还通过第二电阻与电源开关模块连接，所述电感串接在升压芯片的电源端和开关端之间，第二二极管的正极与升压芯片的开关端连接，负极与电源开关模块连接。

所述的USB终端，其中，所述电源开关模块包括电源开关芯片和第三电阻，所述电源开关芯片的输入端通过第二二极管与升压芯片的开关端连接，使能端与所述三极管的集电极连接，输出端与场效应管的栅极连接，电流设置端通过第三电阻接地。

所述的USB终端，其中，所述双向过压保护模块包括双向过压保护芯片和第四电阻，所述双向过压保护芯片的两个输入端均与USB插座的电源端连接，输出端与所述场效应管的源极连接，REV端与USB插座的标识端连接；所述第四电阻串接在双向过压保护芯片的输出端和FLAG端之间，正向模式输入端和所述三极管的集电极连接。

所述的USB终端，其中，所述升压模块的输出电压为5V，输出电流为1A。

本实用新型提供的USB终端，采用了升压模块、场效应管、双向过压保护模块、USB插座、基带USB功能模块、电池等，在外部设备插入时，通过USB插座的标识（ID，Identity，身份标识号码）端的高低电平状态来判断USB终端的Host模式或者Slave模式，从而来控制USB终端的供电状态，并且在接入的外部设备（如USB硬盘）为大功率设备时，由升压模块将电池输出的电压和电流升高至大功率设备工作所需的电压和电流，实现了给大功率外部设备供电，从而在不增加USB终端的接口的前提下既实现了USB终端的从设备（slave）功能，又实现了USB的HOST功能，且能够外接大功率设备。

附图说明

图1为本实用新型提供的USB终端较佳实施例的结构框图。

图2为本实用新型提供的USB终端较佳实施例的电路图。

具体实施方式

本实用新型提供一种USB终端，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供的USB终端，用于当USB终端作为主机功能时给外部设备供电，且外部设备可为大功率设备，当作为从机功能时，由外部设备给USB终端供电。

请参阅图1，本实施例提供的USB终端包括基带USB功能模块11、双向过压保护模块21、升压模块31、电池B1、USB插座J1和场效应管Q1（MOS管）。USB插座J1分别与双向过压保护模块21和基带USB功能模块11连接，所述双向过压保护模块21分别与场效应管Q1的源极S和栅极G连接，场效应管Q1的漏极D与基带USB功能模块11连接，场效应管Q1的栅极G接地；所述电池B1与升压模块31连接，所述升压模块31还与双向过压保护模块21连接。

其中，所述基带USB功能模块11用于实现数据传输功能，所述电池B1为锂电池，其输出的电压为3V-4.2V，用于给USB终端和插入USB终端的外部设备供电。所述场效应管Q1为P沟道MOS管，该场效应管Q1在本实施例中主要起开关作用，用于控制USB插座J1的供电通路的通断。

所述升压模块31用于在USB终端作为主设备时，将所述电池B1输出的电压和电流转换为外部设备供电所需的电压和电流。 

由于USB终端作为主设备时向外输出电流，作为从设备时由外部设备对内输入电流，所以USB插座J1与基带USB功能模块11之间的供电通路是一个双向的通路，本实施例通过双向过压保护模块21进行双向过压保护，可以防止由于外部设备的USB误插导致基带USB功能模块11损坏。

本实施例提供的USB终端采用了升压模块、场效应管、双向过压保护模块、USB插座、基带USB功能模块、电池等，在外部设备插入时，通过USB插座的标识端的高低电平状态来判断USB终端的Host模式或者Slave模式，从而来控制USB终端的供电状态，并且在接入的外部设备为大功率设备时，由升压模块将电池输出的电压和电流升高至大功率设备工作所需的电压和电流，实现了给大功率外部设备供电，从而在不增加USB终端的接口的前提下既实现了USB终端的从设备功能，又实现了USB的HOST功能，且能够外接大功率设备。

请继续参阅图1，本实用新型实施例提供的USB终端还包括电源开关模块41，其输入端与升压模块31的输出端连接，电源开关模块41的输出端分别与双向过压保护模块21和场效应管Q1的栅极G连接，电源开关模块41的使能端通过一反向电路51与所述USB插座的标识端连接。在本实施例中，反向电路51用于将USB插座J1的ID端的输出电平反向。本实用新型采用在升压模块31与双向过压保护模块21和场效应管Q1的栅极之间设置有电源开关模块41，通过该电源开关模块41彻底关断升压模块31的输出。

请一并参阅图2，图2为本实用新型实施例提供的USB终端较佳实施例的电路图。

本实施例提供的USB终端中的USB插座为MICRO USB插座J1′，其包括：VBUS端（电源端）、D+端（正电压数据线端）、D-端（负电压数据线端）、ID端（标识端）和GND端（接地端）。在具体实施时，所述MICRO USB插座J1′的ID端通过反向电路51分别与双向过压保护模块21的正向模式输入端、升压模块31的使能端、电源开关模块41的使能端连接，通过所述ID端的高低电平状态来控制升压模块31、电源开关模块41和双向过压保护模块21的开关。

在具体实施时，所述USB终端通过MICRO USB插座J1′的ID端的状态来判定接入的是主机（如PC机等，此时基带USB功能模块11为Slave模式）还是设备（如鼠标、USB移动硬盘等，此时基带USB功能模块11为Host模式）。

当基带USB功能模块11检测到MICRO USB插座J1′上的ID脚是接地（为数字0，即低电平）时，则认为接入的外部设备为从设备，此时升压模块31启动升压过程、电源开关模块41接通，MOS管Q1关断，使MICRO USB插座J1′的VBUS向外输出电流，从而基带USB功能模块11作为Host功能使用，由升压模块31将电池B1的电压升压给外部设备供电。

当基带USB功能模块11检测到MICRO USB插座J1′的ID端悬空或为高电平时（数字1）时则认为接入的外部设备为主机，此时升压模块31关闭，电源开关模块41断开，MOS管Q1导通，MICRO USB插座J1′的VBUS端接收外部设备输入的电流，由外部设备对USB终端供电，从而在不增加USB终端的接口的前提下既实现了USB终端的从设备（slave）功能，又实现了USB的HOST功能，且能够外接大功率设备。

请继续参阅图2，所述升压模块31的输出电压为5V，输出电流为1A，从而能驱动外部大功率设备。由于PC机（personal computer，个人计算机）的USB接口对外提供的最大电流一般为500mA，所以大部分USB设备设计时的功耗一般不会超过500mA，本实用新型不排除供电电流超过500MA的大功率设备，所以本实用采用的升压模块31的输出电流为1A。本实施例中，所述MOS管Q1的最大工作电流与升压模块31输出的电流一致。

在本发明实施例提供的USB终端中，反向电路51具体包括一三极管Q2，所述三极管Q2的基极与MICRO USB插座J1′的标识（ID）端连接，集电极分别与升压芯片U1的EN端（使能端）、电源开关芯片U2的EN端和双向过压保护模块21的正向模式输入端（DIR端）连接，该三极管Q2的集电极还通过上拉电阻R5连接至高电平，发射极接地。在本实施例中，三极管Q2的基极通过上拉电阻R5连接到基带USB功能模块11的输入输出口（VIO口）。

本实施例中，反向电路51用于将插座J1′的ID端的输出电平反向。在MICRO USB插座J1′不接入任何设备或者接入主机（高电平）时，通过三极管Q2将其反向，反向电路51的输出值为0，使升压芯片U1和电源开关芯片U2关闭。当接入外部从设备时，MICRO USB插座J1′的ID端被直接接地（即为数字0），通过三极管Q2反向，反向电路51的输出值为1，此时升压芯片U1和电源开关芯片U2使能闭合，通过升压芯片U1向外部设备提供电源。

请继续参阅图2，所述升压模块31包括升压芯片U1、电感L1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2。其中，升压芯片U1包括电源端（VDD端或输入端）、使能端（EN端）、开关端（SW端）、反馈端（FB）和两个接地端。

升压芯片U1的VDD端与电池B1的输出端连接，EN端与三极管Q2的集电极连接，FB端通过第一电阻R1接地，所述FB端还通过第二电阻R2与电源开关模块41连接，所述电感L1串接在升压芯片U1的VDD端和SW端之间，第二二极管D2串接在SW端和电源开关模块41之间，其中，第二二极管D2的正极与升压芯片U1的SW端连接，负极与电源开关模块41连接。所述第一电容C1并接在第一电阻R1的两端，第二电容C2并接在第二电阻R2的两端。

在本实施例中，由于升压芯片U1在关断时，VDD端仍然可通过其外部的电感L1与升压芯片U1的开关端相通，只是没有经过内部升压。为了防止这种情况发生，本实用新型通过电源开关模块41彻底关断升压芯片U1的输出。

请再次参阅图2，所述电源开关模块41包括电源开关芯片U2和第三电阻R3。其中，所述电源开关芯片U2包括输入端（IN端）、输出端（OUT端）、使能端（EN端）、电流设置端（SET端）和接地端。

所述电源开关芯片U2的IN端通过第二二极管D2与升压芯片U1的SW端连接，EN端与三极管Q2的集电极连接，OUT端与MOS管Q1的栅极连接，SET端通过第三电阻R3接地。本实施例通过第三电阻R3的阻值来设置电源开关芯片U2的电流大小。

本实用新型实施例中，在所述MOS管Q1的栅极和源极之间串接有第一二极管D1。所述第一二极管D1的正极与场效应管Q1的栅极G连接，负极分别与场效应管Q1的源极S和双向过压保护模块21连接，而双向过压保护模块21与MICRO USB插座J1′的VBUS端相连，所以该第一二极管D1在防止电流反向的同时还提供了一条向外供电的通路，而且在提供供电通路的同时还可以将基带USB功能模块11与UBS插座的VBUS端的通路隔开。

请继续参阅图2，本实用新型提供的USB终端中的双向过压保护模块21包括双向过压保护芯片U3和第四电阻R4。其中，所述双向过压保护芯片U3包括两个输入端（IN端）、输出端（OUT端）、正向模式输入端（DIR端）、反向充电控制输入端（REV端）、三个预留输入端（RES端）、空置端（NC端）、故障检测端（FLAG端）、限流输出端（Ilim端）、散热端（EP端）和接地端。

所述双向过压保护芯片U3的两个IN端均与MICRO USB插座J1′的VBUS端连接，DIR端与三极管Q2的集电极连接，OUT端与MOS管Q1的源极S连接，REV端与MICRO USB插座J1′的ID端连接，ILIM端、EP端、GND端和三个RES端均接地。所述第四电阻R4串接在双向过压保护芯片U3的OUT端和FLAG端之间。

本实施例中，所述双向过压保护芯片U3也通过DIR端和REV端确定通路的方向（即是正向还是反向），从而实现双向过压保护。

以下结合图2，对本实用新型提供的USB终端的工作过程进行详细描述：

当插入的外部设备为主机（PC机之类）时，MICRO USB插座J1′的ID端输出高电平，通过三极管Q2将信号反向为0，此时升压芯片U1和电源开关芯片U2均关闭，MOS管Q1导通，MICRO USB插座J1′的VBUS端与基带USB功能模块11的通路导通，由外部主机给USB终端供电；当插入的外部设备为USB移动硬盘或其它大功率设备时，MICRO USB插座J1′的ID端输出低电平，通过三极管Q2将信号反向，此时升压芯片U1和电源开关芯片U2使能，MOS管Q1关闭，MICRO USB插座J1′的VBUS端与基带USB功能模块11的通路断开，由升压芯片U1输出VBUS-HOST-5V至MICRO USB插座J1′的VBUS端，对外部设备供电。

本实用新型提供的USB终端可以在不增加接口的前提下，实现了USB终端的Slave功能和Host功能，且作为Host功能时，能够驱动大功率设备。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种USB终端，其特征在于，包括：

用于实现数据传输功能的基带USB功能模块；

用于供电的电池；

用于与外部设备连接的USB插座；

用于提供双向电压保护的双向过压保护模块；

用于将所述电池输出的电压和电流转换为外部设备供电所需的电压和电流的升压模块；

用于控制所述USB插座的供电通路的通断的场效应管；

所述USB插座分别与双向过压保护模块和基带USB功能模块连接，所述双向过压保护模块分别与场效应管的源极和栅极连接，场效应管的漏极与基带USB功能模块连接，场效应管的栅极接地；所述电池与升压模块连接，所述升压模块还与双向过压保护模块连接。

2.根据权利要求1所述的USB终端，其特征在于，还包括电源开关模块和反向电路，所述电源开关模块的输入端与升压模块的输出端连接，电源开关模块的输出端分别与双向过压保护模块和场效应管的栅极连接，电源开关模块的使能端通过所述反向电路与所述USB插座的标识端连接。

3.根据权利要求2所述的USB终端，其特征在于，所述反向电路包括一三极管，所述三极管的基极与USB插座的标识端连接，集电极分别与双向过压保护模块的正向模式输入端、升压模块的使能端、电源开关模块的使能端连接，所述三极管的集电极还通过上拉电阻接高电平，发射极接地。

4.根据权利要求1或2所述的USB终端，其特征在于，在场效应管的栅极和源极之间串接有第一二极管，所述第一二极管的正极与场效应管的栅极连接，负极分别与场效应管的源极和双向过压保护模块连接。

5.根据权利要求3所述的USB终端，其特征在于，所述升压模块包括升压芯片、电感、第二二极管、第一电阻和第二电阻；所述升压芯片的电源端与电池的输出端连接，使能端与所述三极管的集电极连接，反馈端通过第一电阻接地，所述反馈端还通过第二电阻与电源开关模块连接，所述电感串接在升压芯片的电源端和开关端之间，第二二极管的正极与升压芯片的开关端连接，负极与电源开关模块连接。

6.根据权利要求5所述的USB终端，其特征在于，所述电源开关模块包括电源开关芯片和第三电阻，所述电源开关芯片的输入端通过第二二极管与升压芯片的开关端连接，使能端与所述三极管的集电极连接，输出端与场效应管的栅极连接，电流设置端通过第三电阻接地。

7.根据权利要求1所述的USB终端，其特征在于，所述双向过压保护模块包括双向过压保护芯片和第四电阻，所述双向过压保护芯片的两个输入端均与USB插座的电源端连接，输出端与所述场效应管的源极连接，REV端与USB插座的标识端连接；所述第四电阻串接在双向过压保护芯片的输出端和FLAG端之间，正向模式输入端和所述三极管的集电极连接。

8.根据权利要求1所述的USB终端，其特征在于，所述升压模块的输出电压为5V，输出电流为1A。

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