CN207339255U - 一种usb端口保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及USB接口技术领域，具体公开了一种USB端口保护电路，保留了原有的USB 2.0端口、电源模块、MCU控制模块和第一静电阻抗器、第二静电阻抗器及第三静电阻抗器组成的防静电模块，在USB供电上增设有过流保护模块和过压保护模块、在USB数据传输线上增设有正极传输线路保护模块及负极传输线路保护模块组成的传输线路保护模块。实施本实用新型提供的一种USB端口保护电路，USB 2.0端口在短接到车身电源时或插入USB接口设备短路时不会损坏车机，同时也限制了USB接口设备不正常的吸电，保证了USB端口及其供电电路的稳定性及安全性，同时也保证了USB接口设备的稳定性和安全性，避免了线路起火等意外危险情况的发生，保障了用户的人身安全和财产安全。

Description

一种USB端口保护电路

技术领域

本实用新型涉及USB接口技术领域，尤其涉及一种USB端口保护电路。

背景技术

随着USB接口设备的普及，搭载于汽车电子系统使用的便携式电子娱乐设备越来越多，部分设备通过车载USB接口为自身充电，部分设备则是作为存储设备以USB连接的方式接到车载主机上以播放音视频等。

但市面上的USB接口(公口、母口)良莠不齐，源于电子设备的多种多样，其中包括经过严格设计、精密测试的一线合格产品，也包括山寨厂商出品的劣质设备。大多数劣质设备在出厂前没有经过严格的设计与测试，在使用车载USB端口为其充电时，由于自身电源管理设计的不合理，没有对充电电流做限值处理，也没有增加过压保护和过流保护电路，导致充电线路异常发热，甚至会引发冒烟着火，严重影响驾驶安全。

对于同样能够作为USB端口(母口)拓展使用的车载点烟器，拓展所用的延长线在车身上随意摆放，其绝缘层易融化于车载高温环境下，同时缺乏对USB端口增加过压保护和过流保护的电路设计，可能导致电源线与车载主机上的USB端口短路，从而导致该USB端口所在的USB模块被损坏。

发明内容

本实用新型提供一种USB端口保护电路，解决了在USB供电上增加过流保护模块和过压保护模块、在USB数据传输线上增加传输线路保护模块，并在MCU控制模块上增加对过压保护模块的使能控制作用来共同搭建一个限流、限压、足够安全的USB 2.0端口保护电路的技术问题。

为解决以上技术问题，本实用新型提供一种USB端口保护电路，设有USB2.0端口、电源模块和MCU控制模块，所述USB 2.0端口设有供电输入端、USB数据传输正极端、USB数据传输负极端和接地的接地端，所述电源模块的电源转换输入端接入初始供电电源并将其转化为电路供电电源和MCU供电电源后分别从第一电源输出端和第二电源输出端输出，所述MCU控制模块的工作电源端连接所述第二电源输出端，所述第一电源输出端连接过流保护模块后连接过压保护模块的第一电源输入端，所述过压保护模块的第二电源输入端、开关控制端、信号输出端分别连接所述初始供电电源、所述MCU控制模块的开关使能端、所述USB2.0端口的供电输入端；所述USB 2.0端口的USB数据传输正极端、所述MCU控制模块的MCU数据传输正极端与所述第一电源输出端之间连接有正极传输线路保护模块，所述USB 2.0端口的USB数据传输负极端、所述MCU控制模块的MCU数据传输负极端与所述第一电源输出端之间连接有负极传输线路保护模块。

优选地，所述过流保护模块为限流IC，其限流范围为0.5A-2.1A。

优选地，所述过压保护模块设有第一MOS管、三极管、第一稳压管、第二稳压管、第三稳压管、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻、第四分压电阻和转换开关。

进一步地，所述限流IC的限流输出端连接所述第一稳压管的正极端和所述第一MOS管的源极，所述第一稳压管的负极端连接所述第一分压电阻的一端、所述第二稳压管的负极端、所述第一MOS管的栅极和所述第二分压电阻的一端，所述第一分压电阻的另一端连接所述转换开关的信号输出端，所述转换开关的电压输入端、控制输入端即为所述过压保护模块的第二电源输入端和开关控制端；

所述第二分压电阻的另一端连接所述三极管的集电极，所述三极管的基极连接所述第三分压电阻的一端和所述第四分压电阻的一端，所述第三分压电阻的另一端正向连接所述第三稳压管后连接所述第一MOS管的栅极和所述USB2.0端口的供电输入端；

所述第二稳压管的正极端、所述三极管的发射极、所述第四分压电阻的另一端接地。

优选地，所述正极传输线路保护模块设有第二MOS管，所述第二MOS管的栅极、源极和漏极分别连接所述第一电源输出端、所述MCU数据传输正极端和所述USB数据传输正极端。

优选地，所述负极传输线路保护模块设有第三MOS管，所述第三MOS管的栅极、源极和漏极分别连接所述第一电源输出端、所述MCU数据传输负极端和所述USB数据传输负极端。

具体地，所述USB 2.0端口的供电输入端与地之间、USB数据传输正极端与地之间、USB数据传输负极端与地之间分别连接有第一静电阻抗器、第二静电阻抗器和第三静电阻抗器。

具体地，所述电路供电电源为直流4.75V-5.25V，所述MCU供电电源为直流2.5V-5.5V。

本实用新型提供的一种USB端口保护电路，在保留静电保护设计的基础上，在USB供电上增加过流保护模块和过压保护模块、在USB数据传输线上增加传输线路保护模块，并在MCU控制模块上增加对过压保护模块的使能控制作用共同搭建了一个USB 2.0端口保护电路，其有益效果在于：

根据不同的产品设计及需求，通过改变过流保护模块中的限流IC的参数能够灵活设置不同的限流值，该限流值可以通过配置外置的电阻进行调节，限流范围在0.5A到2.1A之间任意设置，整个限流保护的设计简单而又稳定；

通过调整过压保护模块中的第三稳压管、第三分压电阻、第四分压电阻的参数可以设置不同的过压保护阈值，以保护过流保护模块和电源模块不被损坏，同时能满足多种USB接口设备的充电需求；

所述传输线路保护模块中设置的两个MOS管具有很低的寄生电容，用在USB数据传输线上对信号质量影响很小，同时隔断USB数据传输线上的高电压，使MCU控制模块的I/O口不受外界高电压的损坏，以保证其工作的稳定性。

整体来说，本实用新型提供的一种USB端口保护电路，USB 2.0端口在短接到车身电源时或插入USB接口设备短路时不会损坏车机，同时也限制了USB接口设备不正常的吸电，保证了USB端口及其供电电路的稳定性及安全性，同时也保证了USB接口设备的稳定性和安全性，避免了线路起火等意外危险情况的发生，保障了用户的人身安全和财产安全。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的现有USB 2.0端口的电路示意图；

图2是本实用新型实施例提供的在图1基础上改进的一种USB端口保护电路的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下元器件的选型及取值大小仅为较佳实施例，不构成对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型提供了一种USB端口保护电路，在USB供电上增加过流保护模块和过压保护模块、在USB数据传输线上增加传输线路保护模块，并在MCU控制模块上增加对过压保护模块的使能控制作用共同搭建了一个USB 2.0端口保护电路，本实施例则将该电路应用在汽车电子系统中，参见图1、图2，分别是本实用新型实施例提供的现有USB 2.0端口的电路示意图和本实用新型实施例提供的在图1基础上改进的一种USB端口保护电路的电路示意图。

在图1和图2中，共有的电路结构有：USB 2.0端口U1(母口)、电源模块U2、MCU控制模块U3和在所述USB 2.0端口U1的供电输入端U1_Vbus与地之间、USB数据传输正极端U1_D+与地之间、USB数据传输负极端U1_D-与地之间分别连接的第一静电阻抗器ESD1、第二静电阻抗器ESD2和第三静电阻抗器ESD3。仅采用USB 2.0端口U1、电源模块U2、MCU控制模块U3和第一静电阻抗器ESD1、第二静电阻抗器ESD2及第三静电阻抗器ESD3组成的防静电模块ESD搭建的现有技术明显存在缺陷：自身电源管理设计不合理，既没有对充电电流做限值处理，也没有增加过压保护和过流保护电路，容易导致充电线路异常发热，甚至会引发冒烟着火，严重影响驾驶安全。

所以详见图2，本实用新型提供一种USB 2.0端口U1保护电路，保留了原有的USB2.0端口U1、电源模块U2、MCU控制模块U3和第一静电阻抗器ESD1、第二静电阻抗器ESD2及第三静电阻抗器ESD3组成的防静电模块ESD，增设有过流保护模块LI、过压保护模块LU和正极传输线路保护模块LB+及负极传输线路保护模块LB-组成的传输线路保护模块LB，其主要的连接关系如下：

所述USB 2.0端口U1设有供电输入端U1_Vbus、USB数据传输正极端U1_D+、USB数据传输负极端U1_D-和接地的接地端U1_GND，所述电源模块U2的电源转换输入端U2_1接入初始供电电源12V并将其转化为电路供电电源5.25V和MCU供电电源3.3V后分别从第一电源输出端U2_2和第二电源输出端U2_3输出，所述MCU控制模块U3的工作电源端U3_Vcc连接所述第二电源输出端U2_3，所述第一电源输出端U2_2连接所述过流保护模块LI后连接所述过压保护模块LU的第一电源输入端LU_1，所述过压保护模块LU的第二电源输入端LU_2、开关控制端LU_3、信号输出端LU_4分别连接所述初始供电电源12V、所述MCU控制模块U3的开关使能端U3_EN、所述USB 2.0端口U1的供电输入端U1_Vbus；所述USB 2.0端口U1的USB数据传输正极端U1_D+、所述MCU控制模块U3的MCU数据传输正极端U3_D+与所述第一电源输出端U2_2之间连接有所述正极传输线路保护模块LB，所述USB 2.0端口U1的USB数据传输负极端U1_D-、所述MCU控制模块U3的MCU数据传输负极端U3_D-与所述第一电源输出端U2_2之间连接有所述负极传输线路保护模块LB-。

更详细地，所述过流保护模块LI为限流IC，其限流范围为0.5A-2.1A。根据不同的产品设计及需求，通过改变该过流保护模块LI中的限流IC的参数能够灵活设置不同的限流值，该限流值可以通过配置外置的电阻进行调节，限流范围在0.5A到2.1A之间任意设置。

所述过压保护模块LU设有第一MOS管Q1、三极管Q2、第一稳压管D1、第二稳压管D2、第三稳压管D3、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4和转换开关Switch。通过调整该过压保护模块LU中的第三稳压管D3、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4的参数可以设置不同的过压保护阈值，以保护所述过流保护模块LI和电源模块U2不被损坏，同时能满足多种USB接口设备的充电需求。

其中，所述限流IC的限流输出端Iout连接所述第一稳压管D1的正极端和所述第一MOS管Q1的源极S，所述第一稳压管D1的负极端连接所述第一分压电阻R1的一端、所述第二稳压管D2的负极端、所述第一MOS管Q1的栅极G和所述第二分压电阻R2的一端，所述第一分压电阻R1的另一端连接所述转换开关Switch的信号输出端Sout，所述转换开关Switch的电压输入端Sin、控制输入端Ein即为所述过压保护模块LU的第二电源输入端LU_2和开关控制端LU_3；

所述第二分压电阻R2的另一端连接所述三极管Q2的集电极c，所述三极管Q2的基极b连接所述第三分压电阻R3的一端和所述第四分压电阻R4的一端，所述第三分压电阻R3的另一端正向连接所述第三稳压管D3后连接所述第一MOS管Q1的栅极G和所述USB 2.0端口U1的供电输入端U1_Vbus；

所述第二稳压管D2的正极端、所述三极管Q2的发射极e、所述第四分压电阻R4的另一端接地。

更详细地，所述正极传输线路保护模块LB+设有第二MOS管Q3，所述第二MOS管Q3的栅极G、源极S和漏极D分别连接所述第一电源输出端U2_2、所述MCU数据传输正极端U3_D+和所述USB数据传输正极端U1_D+。

更详细地，所述负极传输线路保护模块LB-设有第三MOS管Q4，所述第三MOS管Q4的栅极G、源极S和漏极D分别连接所述第一电源输出端U2_2、所述MCU数据传输负极端U3_D-和所述USB数据传输负极端U1_D-。

所述传输线路保护模块LB(所述正极传输线路保护模块LB+与所述负极传输线路保护模块LB-)中设置的两个MOS管具有很低的寄生电容，用在USB数据传输线(L+、L-)上对信号质量影响很小，同时隔断该传输线上的高电压，使所述MCU控制模块U3的I/O口不受外界高电压的损坏，以保证其工作的稳定性。

具体地，所述电路供电电源5.25V为直流5.25V，所述MCU供电电源3.3V为直流3.3V，所述初始供电电源12V为直流12V(车载电源电压范围为9V-16V)。若将该USB 2.0端口U1保护电路应用于市电、电源适配器、笔记本电脑等，电路的相关参数比如所述限流IC的限流大小、第三稳压管D3、第三电阻、第四电阻等的大小会作出调整，电源模块U2也可能会作出改进，但所述MCU供电电源3.3V应当维持在2.5V-5.5V，所述电路供电电源5.25V应当维持在4.75V-5.25，以保障整个电路运行的稳定。

下面对图2整个电路的保护原理进行说明：

正常上电状态，所述第一稳压管D1、第二稳压管D2、第三稳压管D3这三个稳压管由于设置了合理的参数而处于不导通的状态，所述三极管Q2也处于截止状态，所述电源模块U2将输入的初始供电电源12V转化为电路供电电源5.25V并输出到所述第一MOS管Q1的源极S、转化为MCU供电电源3.3V输出到所述第一MOS管Q1的工作电源端U3_Vcc，所述MCU控制模块U3通过其开关使能端U3_EN打开所述转换开关Switch，此时连接着所述转换开关Switch的电压输入端Sin的初始供电电源12V经过转换开关Switch和所述第一分压电阻R1给到所述第一MOS管Q1的栅极G使其正常导通。

将所述第三稳压管D3设置成5.6V稳压，当所述USB 2.0端口U1的供电输入端U1_Vbus短路到所述初始供电电源12V时，所述第三稳压管D3导通，所述第三分压电阻R3和第四分压电阻R4在所述三极管Q2的基极b形成一个分压作用，使得所述三极管Q2导通，此时所述第一MOS管Q1的栅极G电压由所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压而来，通过设置这两个电阻的参数，使得所述三极管Q2导通时，所述第一MOS管Q1的栅极G电压比源极S电压低，这样所述第一MOS管Q1会处于关闭状态，其漏极D上的高电压不会泄漏到源极S，从而保护了所述限流IC及电源模块U2不被损坏。

过压保护的阈值通过设置所述第三稳压管D3、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4的参数来实现，设置的要点是当接入的USB设备的外部电压达到电压保护阈值时，所述第三稳压管D3导通，所述第三分压电阻R3和所述第四分压电阻R4的分压刚好使得所述三极管Q2导通。

所述第一分压电阻R1和第二分压电阻R2的作用是把所述电路供电电源5.25V分压，车机一般的正常工作电压(初始供电电源)为9～16V，这两个电阻设置的要点是保证在初始供电电源为9V时，两个电阻的分压值比所述电路供电电源5.25V小。

所述第一稳压管D1和第二稳压管D2的作用是保护所述第一MOS管Q1免受电源脉冲的损坏，使得过压保护工作更稳定。

所述第二MOS管Q3和第三MOS管Q4分别串联在所述USB 2.0端口U1的数据传输正极线L+和数据传输负极线L-上，这两个MOS管具有很低的寄生电容，用在USB数据传输线上对信号传输质量影响很小。正常工作时，所述第二MOS管Q3和第三MOS管Q4的源极S分别连接到所述MCU控制模块U3的MCU数据传输正极端U3_D+和MCU数据传输负极端U3_D-，当其输出高电平时3.3V时，其源极电压比其对应的栅极电压要低，这两个MOS管导通；当USB数据传输线(L+、L-)短路到电路供电电源5.25V或所述初始供电电源12V时，所述第二MOS管Q3和第三MOS管Q4的漏极D电压等于或大于其栅极G的电压，这两个MOS管处于关闭的状态，作用在USB数据传输线(L+、L-)上的高电压则不能通过这两个MOS管，使所述MCU控制模块U3的MCU数据传输正极端U3_D+和MCU数据传输负极端U3_D-能够不受外界高电压的损坏，而保证其工作的稳定性。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种USB端口保护电路，设有USB 2.0端口、电源模块和MCU控制模块，所述USB 2.0端口设有供电输入端、USB数据传输正极端、USB数据传输负极端和接地的接地端，所述电源模块的电源转换输入端接入初始供电电源并将其转化为电路供电电源和MCU供电电源后分别从第一电源输出端和第二电源输出端输出，所述MCU控制模块的工作电源端连接所述第二电源输出端，其特征在于，

所述第一电源输出端连接过流保护模块后连接过压保护模块的第一电源输入端，所述过压保护模块的第二电源输入端、开关控制端、信号输出端分别连接所述初始供电电源、所述MCU控制模块的开关使能端、所述USB 2.0端口的供电输入端；所述USB 2.0端口的USB数据传输正极端、所述MCU控制模块的MCU数据传输正极端与所述第一电源输出端之间连接有正极传输线路保护模块，所述USB 2.0端口的USB数据传输负极端、所述MCU控制模块的MCU数据传输负极端与所述第一电源输出端之间连接有负极传输线路保护模块。

2.如权利要求1所述的一种USB端口保护电路，其特征在于：所述过流保护模块为限流IC，其限流范围为0.5A-2.1A。

3.如权利要求2所述的一种USB端口保护电路，其特征在于：所述过压保护模块设有第一MOS管、三极管、第一稳压管、第二稳压管、第三稳压管、第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻、第四分压电阻和转换开关。

4.如权利要求3所述的一种USB端口保护电路，其特征在于：所述限流IC的限流输出端连接所述第一稳压管的正极端和所述第一MOS管的源极，所述第一稳压管的负极端连接所述第一分压电阻的一端、所述第二稳压管的负极端、所述第一MOS管的栅极和所述第二分压电阻的一端，所述第一分压电阻的另一端连接所述转换开关的信号输出端，所述转换开关的电压输入端、控制输入端即为所述过压保护模块的第二电源输入端和开关控制端；

所述第二分压电阻的另一端连接所述三极管的集电极，所述三极管的基极连接所述第三分压电阻的一端和所述第四分压电阻的一端，所述第三分压电阻的另一端正向连接所述第三稳压管后连接所述第一MOS管的栅极和所述USB 2.0端口的供电输入端；

所述第二稳压管的正极端、所述三极管的发射极、所述第四分压电阻的另一端接地。

5.如权利要求1所述的一种USB端口保护电路，其特征在于：所述正极传输线路保护模块设有第二MOS管，所述第二MOS管的栅极、源极和漏极分别连接所述第一电源输出端、所述MCU数据传输正极端和所述USB数据传输正极端。

6.如权利要求1所述的一种USB端口保护电路，其特征在于：所述负极传输线路保护模块设有第三MOS管，所述第三MOS管的栅极、源极和漏极分别连接所述第一电源输出端、所述MCU数据传输负极端和所述USB数据传输负极端。

7.如权利要求1所述的一种USB端口保护电路，其特征在于：所述USB 2.0端口的供电输入端与地之间、USB数据传输正极端与地之间、USB数据传输负极端与地之间分别连接有第一静电阻抗器、第二静电阻抗器和第三静电阻抗器。

8.如权利要求1所述的一种USB端口保护电路，其特征在于：所述电路供电电源为直流4.75V-5.25V，所述MCU供电电源为直流2.5V-5.5V。