CN207799399U - 一种usb设备的过流保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种USB设备的过流保护装置，其通过电流检测模块的MCU控制可变负载电路使其负载逐渐增加，供电电压检测电路检测USB供电器的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路向MCU发送信号，通知其USB供电器即将限流保护；MCU接收信号后获取USB供电器的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB从设备的后级模块的功耗，避免后级模块的功耗超过USB供电器的限流值。

Description

一种USB设备的过流保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种过流保护装置，具体涉及一种USB设备的过流保护装置。

背景技术

负载，是指连接在电路中的电源两端的电子元件，其把电能转换成其他形式的能。常用的负载有电阻、引擎和灯泡等可消耗功率的元件。MCU，为微控制单元(Microcontroller Unit) ，又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

USB供电器是指带有USB接口，能够给USB从设备主动供电的设备；而USB从设备是指必须由USB供电器供电的设备。目前，大部分USB供电器，如电脑、平板或者USB充电器，其USB接口都带有过流保护功能：一旦USB接口的负载过大，就会切断USB供电，保护USB接口不被损坏。USB接口在进行过流保护时，会切断端USB供电器对USB从设备的供电，而在无电源的情况下，USB从设备就会停止工作。这也就导致了用户在使用USB从设备时，USB会突然停止工作，这就降低了用户体验。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种USB设备的过流保护装置，其可以避免USB从设备超过USB供电器的最大限流，避免USB从设备在使用过程中被切断供电，提高用户体验。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种USB设备的过流保护装置，其包括USB供电器和USB从设备，所述USB供电器与USB从设备通过USB接口连接，所述USB从设备设有电流检测模块和后级模块，所述后级模块连接电流检测模块，而电流检测模块包括MCU、供电电压检测电路和可变负载电路；所述可变负载电路连接MCU，所述供电电压检测电路连接MCU。

所述供电电压检测电路由电阻R10、电阻R11、电阻R12和三极管Q2构成，所述三极管Q2的基极经电阻R10连接USB供电器的供电电压V_USB，同时，三极管Q2的基极经由电阻R11接地；所述三极管Q2的集电极经电阻R12连接USB供电器的供电电压V_USB，同时三极管Q2的集电极连接MCU的输入端；而三极管Q2的发射极接地。

所述可变负载电路由运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和MOS管Q1构成，所述MOS管的源极经电阻R4连接USB供电器的供电电压V_USB，MOS管的栅极经电阻R1连接运算放大器U1A的输出端，MOS管的漏极经由电阻R3接地，同时，MOS管的漏极经由电阻R2连接运算放大器U1A的反向输入端；所述MCU内部DAC输出端一方面经由电容C1接地，另一方面连接运算放大器的同向输入端；所述电阻R3两端连并联接有电容C2。

所述可变负载电路由电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5构成，所述三极管Q5的基极连接MCU的接口IO3，发射极接地，而集电极经由依次串联在一起的R7、R6和R5后连接USB供电器的供电电压V_USB；所述三极管Q4的基极连接MCU的接口IO2，发射极接地，而集电极连接于电阻R6和电阻R7之间；所述三极管Q3的基极连接MCU的接口IO1，发射极接地，而集电极连接于电阻R5和R6之间。

所述USB从设备为USB Phone。

采用上述方案后，本实用新型的USB设备的过流保护装置包括USB供电器和USB从设备，USB从设备设有电流检测模块和后级模块，而电流检测模块包括MCU、供电电压检测电路和可变负载电路。USB供电器给USB从设备上电瞬间，电流检测模块的MCU控制可变负载电路使其负载逐渐增加，供电电压检测电路检测USB供电器的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路向MCU发送信号，通知其USB供电器即将限流保护；MCU接收信号后获取USB供电器的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB从设备的后级模块的功耗，有效避免USB从设备超过USB供电器的最大限流，避免USB从设备在使用过程中被切断供电，提高用户体验。

附图说明

图1为本实用新型结构框图；

图2为本实用新型供电电压检测电路图；

图3为本实用新型可变负载电路图；

图4为本实用新型另一可变负载电路图；

图5为本实用新型USB从设备为USB Phone时的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型揭示了一种USB设备的过流保护装置，其包括USB供电器1和USB从设备2，USB供电器1与USB从设备2通过USB接口连接，其中，USB从设备2设有电流检测模块21和后级模块22，后级模块22连接电流检测模块21，而电流检测模块21包括MCU211、供电电压检测电路213和可变负载电路212，可变负载电路212连接MCU211，供电电压检测电路213连接MCU211；当USB供电器1给USB从设备2上电瞬间，电流检测模块21的MCU211控制可变负载电路212使其负载逐渐增加，供电电压检测电路213检测USB供电器1的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路213向MCU211发送信号，通知其USB供电器1即将限流保护；MCU211接收信号后获取USB供电器1的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB从设备2的后级模块22的功耗，避免后级模块22的功耗超过USB供电器1的限流值。

图2为电流检测模块的供电电压检测电路213的具体电路图，根据图2所示，供电电压检测电路213由电阻R10、电阻R11、电阻R12和三极管Q2构成，其中三极管Q2的基极一方面经电阻R10连接USB供电器的供电电压V_USB，另一方面经由电阻R11接地；三极管Q2的集电极一方面经电阻R12连接USB供电器的供电电压V_USB，另一方面连接MCU的输入端；而三极管Q2的发射极接地。

上述供电电压检测电路213的工作原理是：电阻R10和电阻R11对USB供电器的供电电压V_USB进行分压，当供电电压V_USB的电压正常时，Q2导通，对MCU输入低电平；当V_USB的电压逐步降低到R11两端的电压小于三极管Q2基极和发射极之间的导通电压时，Q2关断，给MCU输入的电平从低到高，MCU获知此时USB供电器已输出极限电流。

图3为电流检测模块的可变负载电路212的第一种实施方式的具体电路图，在该实施方式中，MCU211通过内部的DAC模块输出可变的电压，控制可变负载电路212，MCU211输出的电压越大，负载越重。根据图3所示，可变负载电路212由运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和MOS管Q1构成，其中，MOS管的源极经电阻R4连接USB供电器的供电电压V_USB，MOS管的栅极经电阻R1连接运算放大器U1A的输出端，MOS管的漏极一方面经由电阻R3接地，另一方面经由电阻R2连接运算放大器U1A的反向输入端。在电阻R3两端并联连接有电容C2；MCU内部DAC输出端一方面经由电容C1接地，另一方面连接运算放大器的同向输入端。

上述可变负载电路212的原理是：MCU211的内部DAC输出的电压Vdac经过电容C1滤除高频噪声后进入运算放大器U1A的同向输入端，由于运放的“虚短”,运算放大器U1A 的反向输入端和正向输入端的电位相等，此处用运放做了1：1的缓冲，电阻R2是一个预留电阻，因此最终降到电阻R3上的电压是Vdac，运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2电阻R3、电阻R4、电容C2和三极管Q1构成的恒流源电路的电流值为Vdac/R3，C2的作用是去除R3上电压的抖动，Q1处于放大区给R3提供合适的电流，R4的作用为分压。当MCU输出的Vdac变化时，这个电路的电流也会随之改变。

图4为电流检测模块的可变负载电路212的第二种实施方式的具体电路图，在该实施方式中，MCU211通过控制IO接口的输出来控制可变负载电路212的负载大小。根据图4所示，可变负载电路由电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5构成，其中，三极管Q5的基极连接MCU的接口IO3，发射极接地，而集电极经由依次串联在一起的R7、R6和R5后连接USB供电器的供电电压V_USB；三极管Q4的基极连接MCU的接口IO2，发射极接地，而集电极连接于电阻R6和电阻R7之间；三极管Q3的基极连接MCU的接口IO1，发射极接地，而集电极连接于电阻R5和R6之间。

该实施方式中的可变负载电路的原理是：当MCU控制其IO接口，使接口IO1输出为高电平，接口IO3输出为高电平；此时，三极管Q3导通，对于USB供电器而言负载值等于R5；当MCU控制其IO接口，使接口IO1为低电平，接口IO2为高电平；此时，三极管Q3截止，三极管Q4导通，相对于USB供电器而言负载为R5+R6；当MCU控制其IO接口，使其接口IO1、接口IO2为低电平，接口IO3为高电平；此时，三极管Q3、三极管Q4截止，三极管Q5导通，相对于USB供电器而言负载等于R5+R6+R7。

在该实施方式的基础上，还可以继续增加三极管和电阻的数量，以进一步提高负载的变化精度。

采用上述USB设备过流保护电路结构，实现了USB从设备2主动检测USB供电器1的最大限值电流，并记录这个电流值，USB从设备2主动根据最大限制电流限制自己的功耗，避免USB从设备2因功耗太大而被切断电源，从而提高了用户体验。

本实用新型USB设备过流保护电路结构中的USB从设备2根据用户的使用需求而有所不同，在此，本实用新型将提供USB从设备2的一种具体实施方式，即USB从设备2为USBPhone3。USB Phone3是一种连接于电脑USB接口、能够通过语音软件拨打网上任一其他电脑实现PC to PC免费通话或者通过VOIP软件拨打全球任一普通电话和手机的新一代通讯产品。

如图5所示，采用上述过流保护电路的USB Phone3，在其连接USB供电器1时，电流检测模块21的MCU211控制可变负载电路212使其负载逐渐增加，供电电压检测电路213检测USB供电器1的供电电压，当供电电压小于电压阈值时，供电电压检测电路213向MCU211发送信号，通知其USB供电器1即将限流保护；MCU211接收信号后获取USB供电器1的最大输出电流，并根据该最大输出电流控制USB Phone3的音频模块31的功耗，MCU211通过限制外部DAC输出的最大音量，来避免超过USB供电器的限流值。

以上所述，仅是本实用新型实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种USB设备的过流保护装置，其包括USB供电器和USB从设备，所述USB供电器与USB从设备通过USB接口连接，其特征在于：所述USB从设备设有电流检测模块和后级模块，所述后级模块连接电流检测模块，而电流检测模块包括MCU、供电电压检测电路和可变负载电路；所述可变负载电路连接MCU，所述供电电压检测电路连接MCU。

2.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述供电电压检测电路由电阻R10、电阻R11、电阻R12和三极管Q2构成，所述三极管Q2的基极经电阻R10连接USB供电器的供电电压V_USB，同时，三极管Q2的基极经由电阻R11接地；所述三极管Q2的集电极经电阻R12连接USB供电器的供电电压V_USB，同时三极管Q2的集电极连接MCU的输入端；而三极管Q2的发射极接地。

3.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述可变负载电路由运算放大器U1A、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和MOS管Q1构成，所述MOS管的源极经电阻R4连接USB供电器的供电电压V_USB，MOS管的栅极经电阻R1连接运算放大器U1A的输出端，MOS管的漏极经由电阻R3接地，同时，MOS管的漏极经由电阻R2连接运算放大器U1A的反向输入端；所述MCU内部DAC输出端一方面经由电容C1接地，另一方面连接运算放大器的同向输入端；所述电阻R3两端连并联接有电容C2。

4.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述可变负载电路由电阻R5、电阻R6、电阻R7、三极管Q3、三极管Q4和三极管Q5构成，所述三极管Q5的基极连接MCU的接口IO3，发射极接地，而集电极经由依次串联在一起的R7、R6和R5后连接USB供电器的供电电压V_USB；所述三极管Q4的基极连接MCU的接口IO2，发射极接地，而集电极连接于电阻R6和电阻R7之间；所述三极管Q3的基极连接MCU的接口IO1，发射极接地，而集电极连接于电阻R5和R6之间。

5.根据权利要求1所述的一种USB设备的过流保护装置，其特征在于：所述USB从设备为USB Phone。