CN208337145U - 一种usb供电线路损耗电压弥补与过载保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，包括循环连接的DC‑DC稳压单元、线路损耗电压弥补回路、电流采集放大单元和门限比较单元，DC‑DC稳压单元实现稳定电压输出，线路损耗电压弥补回路实现输出负载电流流经本回路后，使DC‑DC稳压单元的反馈采样输入回路与参考地回路之间的电压发生变化，电流采集放大单元将流经线路损耗电压弥补回路上引起电压发生变化的电阻上的电压信号进行放大并输出至门限比较单元，门限比较单元将基准电压与电流采集放大单元输出的电压进行比较，当负载电流超过门限值电流时，控制DC‑DC稳压单元关断输出，并间歇性尝试重新输出电压动作。本申请能对USB供电线路损耗电压进行弥补和电流过载保护，简单实用可靠。

Description

一种USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路

技术领域

本实用新型涉及USB供电技术领域，具体涉及一种USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路。

背景技术

目前，随着智能手机及移动智能设备的日益普及，移动设备对充电的要求也越来越高，充电电流也越来越大，因此由线材产生的损耗问题也越来越突出。随着车载娱乐系统的普及，手机与车载娱乐系统互联互通功能的应用，对车载娱乐系统USB(UniversalSerial Bus，通用串行总线)输出电流及电压稳定度提出了新的要求，如车载娱乐系统要支持苹果手机互联功能，就必须遵循苹果MFI协议要求，该要求提出USB端口VBUS输出电流为0～1A时，输出电压应保持5V±10％范围。

通常，由于车载娱乐系统USB接口一般设计在中控台下方位置或中央扶手箱内，而车载娱乐系统主机却安放在中控台上方位置或是扶手箱上方位置，由此就必须使用延长线的方式来连接主机与USB接口，但是加入了延长线就出现了不可避免的线路损耗问题。例如要使用1.5米延长线，采用25AWG线材设计，导线电阻＝1.5×2×0.106＝0.318Ω，通过1A电流时压降为0.318V，不能满足5V±10％，若加上接口的接触电阻及PCB线路上的损耗会更大。

为了实现对USB供电线路损耗电压进行弥补，通常采用ELMOS或TI品牌的芯片来实现该功能。但是，本实用新型的发明人经过研究发现，采用芯片来实现该功能存在以下缺陷：1、成本较高，需要MCU对其进行配置操作；2、只能分等级弥补，如1A补偿100mV或1A补偿200mV，不能实现无级弥补；3、过载保护功能保护动作后存在一定维持电流，引起芯片发热，存在安全隐患。

实用新型内容

针对现有技术中采用芯片来对USB供电线路损耗电压进行弥补，存在成本较高，不能实现无级电压弥补，以及过载保护功能保护动作后存在一定维持电流，会引起芯片发热，存在安全隐患的技术问题，本实用新型提供一种USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，包括循环连接的DC-DC稳压单元、线路损耗电压弥补回路、电流采集放大单元和门限比较单元，所述DC-DC稳压单元用于实现稳定电压输出，所述线路损耗电压弥补回路用于实现输出负载电流流经本回路后，使所述DC-DC稳压单元的反馈采样输入回路与参考地回路之间的电压发生变化，从而抬高DC-DC稳压单元内部参考电压V_REF使输出电压发生改变，所述电流采集放大单元用于将流经所述线路损耗电压弥补回路上引起电压发生变化的电阻上的电压信号进行放大，以输出所述门限比较单元可识别的电压，所述门限比较单元用于将基准电压与所述电流采集放大单元输出的电压进行比较，当负载电流超过门限值电流时，控制所述DC-DC稳压单元关断输出，并间歇性尝试重新输出电压动作。

与现有技术相比，本实用新型提供的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，通过线路损耗电压弥补回路可实现输出电流增大输出电压随之升高，从而弥补线路损耗压降，使USB接口处电压稳定，达到无级线路损耗电压弥补的功能，具有响应速度快，弥补精准的特点；当负载电流超过门限值电流引起输出过载时，可通过电流采集放大单元和门限比较单元进行间歇性尝试恢复输出电压能力，直到过载撤销后能及时恢复供电，因而同时兼备过载保护功能；另外，间歇性尝试输出的时间会很短，断开输出的时间会很长，这样的方式实践证明短路后电路基本不会发热，从而提高了电路的可靠性。因此，本电路具有结构简单，成本较低和实用可靠的特点。

进一步，所述DC-DC稳压单元包括DC-DC电源电路和电阻R2，所述DC-DC电源电路具有输入脚VIN、使能脚EN、输出脚VOUT、反馈采样脚FB和参考地脚GND，所述输入脚VIN与输入电源正极端口INPUT+连接，所述使能脚EN经电阻R2与外部使能控制端口EN连接，所述输出脚VOUT与输出正极端口USB_VBUS+连接，所述反馈采样脚FB与线路损耗电压弥补回路连接，所述参考地脚GND与输出负极端口USB-连接。

进一步，所述线路损耗电压弥补回路包括电阻R1、电阻R4电阻R3，所述电阻R1的一端与输出脚VOUT和输出正极端口USB_VBUS+之间的节点连接，所述电阻R1的另一端顺序经电阻R4和电阻R3与参考地脚GND连接，所述电阻R4和电阻R3之间的节点接地并与输入电源负极端口INPUT-和电流采集放大单元连接。

进一步，所述电流采集放大单元包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R12、二极管D2、电容C1、电容C2和运算放大器U1A，所述电阻R7的一端与参考地脚GND连接，所述电容C2的一端接地，所述电阻R7和电容C2的另一端均与运算放大器U1A的正向输入端连接，所述电阻R8的一端与电阻R4和电阻R3之间的节点连接，所述电阻R8的另一端和电阻R12的一端均与运算放大器U1A的反向输入端连接，所述电阻R12的另一端和电阻R9的一端均与运算放大器U1A的输出端连接，所述电阻R9的另一端与二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极连接到门限比较单元，所述运算放大器U1A的正电源端和电容C1的一端连接直流电源VCC，所述运算放大器U1A的负电源端和电容C1的另一端接地。

进一步，所述门限比较单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R10、电阻R11、二极管D1、电容C3和运算放大器U1B，所述电阻R5的一端连接直流电源VCC，所述电阻R5的另一端、电阻R6的一端和电阻R11的一端均与运算放大器U1B的正向输入端连接，所述运算放大器U1B的反向输入端与电阻R10的一端、电容C3的一端和二极管D2的负极连接，所述电阻R10、电阻R11和电容C3的另一端接地，所述电阻R6的另一端和二极管D1的负极与运算放大器U1B的输出端连接，所述二极管D1的正极与电阻R2和使能脚EN之间的节点连接。

附图说明

图1是本实用新型提供的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路原理框图。

图2是本实用新型提供的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路结构示意图。

图中，1、DC-DC稳压单元；2、线路损耗电压弥补回路；3、电流采集放大单元；4、门限比较单元。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参考图1和图2所示，本实用新型提供一种USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，包括循环连接的DC-DC稳压单元1、线路损耗电压弥补回路2、电流采集放大单元3和门限比较单元4，所述DC-DC稳压单元1用于实现稳定电压输出，所述线路损耗电压弥补回路2用于实现输出负载电流流经本回路后，使所述DC-DC稳压单元1的反馈采样输入回路与参考地回路之间的电压发生变化，从而抬高DC-DC稳压单元1内部参考电压V_REF使输出电压发生改变，实现线路损耗补偿功能，所述电流采集放大单元3用于将流经所述线路损耗电压弥补回路2上引起电压发生变化的电阻上的电压信号进行放大，以输出所述门限比较单元4可识别的电压，所述门限比较单元4用于将基准电压与所述电流采集放大单元3输出的电压进行比较，当负载电流超过门限值电流时，控制所述DC-DC稳压单元1关断输出，并间歇性尝试重新输出电压动作。

与现有技术相比，本实用新型提供的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，通过线路损耗电压弥补回路可实现输出电流增大输出电压随之升高，从而弥补线路损耗压降，使USB接口处电压稳定，达到无级线路损耗电压弥补的功能，具有响应速度快，弥补精准的特点；当负载电流超过门限值电流引起输出过载时，可通过电流采集放大单元和门限比较单元进行间歇性尝试恢复输出电压能力，直到过载撤销后能及时恢复供电，因而同时兼备过载保护功能；另外，间歇性尝试输出的时间会很短，断开输出的时间会很长，这样的方式实践证明短路后电路基本不会发热，从而提高了电路的可靠性。因此，本电路具有结构简单，成本较低和实用可靠的特点。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述DC-DC稳压单元1包括DC-DC电源电路和电阻R2，所述DC-DC电源电路具有输入脚VIN、使能脚EN、输出脚VOUT、反馈采样脚FB和参考地脚GND，所述输入脚VIN与输入电源正极端口INPUT+连接，所述使能脚EN经电阻R2与外部使能控制端口EN连接，所述输出脚VOUT与输出正极端口USB_VBUS+连接，所述输出正极端口USB_VBUS+用于连接延长线后接USB接口和主机设备，所述反馈采样脚FB与线路损耗电压弥补回路连接，所述参考地脚GND与输出负极端口USB-连接。其中，所述使能脚EN用于使能控制DC-DC电源电路处在正常工作或休眠模式，即控制DC-DC电源电路工作与否，所述反馈采样脚FB用于反馈采样输入回路的反馈电压采样，所述参考地脚GND用于参考地回路的参考地电压采样。具体地，所述DC-DC电源电路包括DC-DC电源芯片及DC-DC电源芯片外围电路，所述DC-DC电源芯片为本领域技术人员熟知的通用DC-DC转换器，可以是任意品牌及型号的芯片，只要具备输出稳定电压功能即可，具体可以采用TI公司生产的型号为TPS54331的DC-DC电源芯片；对于所述DC-DC电源芯片外围电路，本领域技术人员可以根据DC-DC电源芯片的规格说明书进行具体设计，而这样的设计对于本领域技术人员来说是非常容易实现的，在此不再赘述。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述线路损耗电压弥补回路2包括电阻R1、电阻R4电阻R3，所述电阻R1的一端与输出脚VOUT和输出正极端口USB_VBUS+之间的节点连接，所述电阻R1的另一端顺序经电阻R4和电阻R3与参考地脚GND连接，所述电阻R4和电阻R3之间的节点接地并与输入电源负极端口INPUT-和电流采集放大单元连接。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述电流采集放大单元3包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R12、二极管D2、电容C1、电容C2和运算放大器U1A，所述电阻R7的一端与参考地脚GND连接，所述电容C2的一端接地，所述电阻R7和电容C2的另一端均与运算放大器U1A的正向输入端连接，所述电阻R8的一端与电阻R4和电阻R3之间的节点连接，所述电阻R8的另一端和电阻R12的一端均与运算放大器U1A的反向输入端连接，所述电阻R12的另一端和电阻R9的一端均与运算放大器U1A的输出端连接，所述电阻R9的另一端与二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极连接到门限比较单元，所述运算放大器U1A的正电源端和电容C1的一端连接直流电源VCC，所述运算放大器U1A的负电源端和电容C1的另一端接地。当然，本领域的技术人员在本实施例的基础上，还可以将电阻R9和二极管D2的位置交换，由此可以达到同样的技术效果。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述门限比较单元4包括电阻R5、电阻R6、电阻R10、电阻R11、二极管D1、电容C3和运算放大器U1B，所述电阻R5的一端连接直流电源VCC，所述电阻R5的另一端、电阻R6的一端和电阻R11的一端均与运算放大器U1B的正向输入端连接，所述运算放大器U1B的反向输入端与电阻R10的一端、电容C3的一端和二极管D2的负极连接，所述电阻R10、电阻R11和电容C3的另一端接地，所述电阻R6的另一端和二极管D1的负极与运算放大器U1B的输出端连接，所述二极管D1的正极与电阻R2和使能脚EN之间的节点连接。其中，所述运算放大器U1A和运算放大器U1B具体可以采用型号为LM2904的运算放大器来实现。

为了更好地理解本申请提供的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，以下将对该电路的工作原理进行详细说明：

1、线路损耗电压弥补原理：

空载状态：当使能控制信号开启后，DC-DC电源电路开始工作，当输出电压经电阻R1和电阻R4分压到反馈采样脚FB达到内部参考电压V_REF时，DC-DC电源电路内部会控制PWM调节，使输出电压保持恒定，此时输出电压V_OUT＝V_REF×(R1/R4+1)。

带载状态：当USB负载接入后，负载电流流经电阻R3后在其产生压降，该压降与DC-DC电源电路内部V_REF叠加，此时输出电压V_OUT＝(V_R3+V_REF)×(R1/R4+1)-V_R3，其中V_R3为电阻R3上产生的电压降。由于V_R3＝I_USB×R3，其中I_USB为USB负载电流，因而电阻R3产生的压降会随负载电流增大而增大，故可以实现输出电流增大，输出电压也随之升高，从而弥补线路损耗压降，使USB接口处电压稳定，达到无级线路损耗电压弥补的功能，线路损失多少电压就弥补多少电压，输出电压实现了“零漂移”。如实践应用中根据线路损耗电压需反推电阻R3取值，可用以下公式计算：

R3＝(V_REF×R_X)/(V_OUT空载-V_REF)；

其中，R_X为延长线路的直流阻抗。

2、过载保护电路原理：

电流采集放大单元：由于电阻R3与输出的USB负载为串联关系(DC-DC电流很小可以忽略)，所以电阻R3所产生的压降V_R3能真实的反映输出负载的电流情况。V_R3经电阻R7，电容C2低通，到达运算放大器U1A的正向输入端3脚，运算放大器U1A的反向输入端2脚设置负反馈电阻R12和R8分压，控制运算放大器U1A的放大倍数，运算放大器U1A的放大倍数≈(R12+R8)/R8，运算放大器U1A放大后由电阻R9和二极管D2输出给运算放大器U1B。

门限比较单元：运算放大器U1A输出的电压经电阻R9和二极管D2到达运算放大器U1B的反向输入端6脚，直流电源VCC电压为稳定的直流电源电压，给运算放大器U1A和U1B供电，同时经电阻R5和R11分压到达运算放大器U1B的正向输入端5脚，由于负载正常时运算放大器U1A输入到U1B的电压比正向输入端5脚低，故运算放大器U1B输出为高电平。由于加入电阻R6正反馈的作用，运算放大器U1B正向输入端5脚的电压

≈VCC-VCC×(1/(1/R5+1/R6)/(1/(1/R5+1/R6)+R11)

≈2/3VCC

当负载电流增大至二极管D2负极端电压大于等于正向输入端5脚2/3VCC时，运算放大器U1B输出为低电平，通过二极管D1将DC-DC电源电路的使能脚EN拉低，从而关闭DC-DC电源电路输出电压。同时使运算放大器U1B正向输入端电压通过电阻R6进行拉低翻转，此时运算放大器U1B正向输入端5脚的电压

≈VCC×(1/(1/R5+1/R6)/(1/(1/R5+1/R6)+R11)

≈1/3VCC

DC-DC电源电路关闭后，运算放大器U1A采集的电流为0，所以输出至二极管D2的电压为0，二极管D2反向截止。由于电阻R10和电容C3组成放电回路的缘故，运算放大器U1B反向输入端6脚的电压不会马上变低，而是缓慢下降，当下降到低于运算放大器U1B正向输入端5脚的电压1/3VCC时，运算放大器U1B会重新输出高电平，使DC-DC电源电路重新输出电压，若输出依然过载，电路会周而复始的进行前述间歇性尝试，直到过载问题消失，电路才会自动恢复到正常输出状态。

由于电阻R9、二极管D2和电容C3的充电时间常数较短，而电阻R10和电容C3的放电时间常数较长，所以尝试输出的时间会很短，断开输出的时间会很长，这样的设计方式实践证明短路后电路基本不会发热，进而提高了电路的可靠性。

另外，所述门限比较单元4中设定的门限值电流I_TH计算如下：

U1B_IN-＝U1A_OUT×(1-R9/(R10+R9))-V_D2

U1B_IN+＝2/3VCC(在U1A输出为高电平时)

U1A_OUT＝(R12+R8)/R8×V_R3

V_R3＝I_TH×R3

2/3VCC＝U1A_OUT×(1-R9/(R10+R9))-V_D2

U1A_OUT＝(2/3VCC+V_D2)/(1-R9/(R10+R9))

V_{R3_TH}＝U1A_OUT/((R12+R8)/R8)

I_TH＝V_R3/R3

I_TH＝(2/3VCC+V_D2)/(1-R9/(R10+R9))/((R12+R8)/R8)/R3

其中，V_R3为电阻R3上产生的压降；V_D2为二极管D2上产生的压降。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，其特征在于，包括循环连接的DC-DC稳压单元、线路损耗电压弥补回路、电流采集放大单元和门限比较单元，所述DC-DC稳压单元用于实现稳定电压输出，所述线路损耗电压弥补回路用于实现输出负载电流流经本回路后，使所述DC-DC稳压单元的反馈采样输入回路与参考地回路之间的电压发生变化，从而抬高DC-DC稳压单元内部参考电压V_REF使输出电压发生改变，所述电流采集放大单元用于将流经所述线路损耗电压弥补回路上引起电压发生变化的电阻上的电压信号进行放大，以输出所述门限比较单元可识别的电压，所述门限比较单元用于将基准电压与所述电流采集放大单元输出的电压进行比较，当负载电流超过门限值电流时，控制所述DC-DC稳压单元关断输出，并间歇性尝试重新输出电压动作。

2.根据权利要求1所述的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，其特征在于，所述DC-DC稳压单元包括DC-DC电源电路和电阻R2，所述DC-DC电源电路具有输入脚VIN、使能脚EN、输出脚VOUT、反馈采样脚FB和参考地脚GND，所述输入脚VIN与输入电源正极端口INPUT+连接，所述使能脚EN经电阻R2与外部使能控制端口EN连接，所述输出脚VOUT与输出正极端口USB_VBUS+连接，所述反馈采样脚FB与线路损耗电压弥补回路连接，所述参考地脚GND与输出负极端口USB-连接。

3.根据权利要求2所述的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，其特征在于，所述线路损耗电压弥补回路包括电阻R1、电阻R4电阻R3，所述电阻R1的一端与输出脚VOUT和输出正极端口USB_VBUS+之间的节点连接，所述电阻R1的另一端顺序经电阻R4和电阻R3与参考地脚GND连接，所述电阻R4和电阻R3之间的节点接地并与输入电源负极端口INPUT-和电流采集放大单元连接。

4.根据权利要求3所述的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，其特征在于，所述电流采集放大单元包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R12、二极管D2、电容C1、电容C2和运算放大器U1A，所述电阻R7的一端与参考地脚GND连接，所述电容C2的一端接地，所述电阻R7和电容C2的另一端均与运算放大器U1A的正向输入端连接，所述电阻R8的一端与电阻R4和电阻R3之间的节点连接，所述电阻R8的另一端和电阻R12的一端均与运算放大器U1A的反向输入端连接，所述电阻R12的另一端和电阻R9的一端均与运算放大器U1A的输出端连接，所述电阻R9的另一端与二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极连接到门限比较单元，所述运算放大器U1A的正电源端和电容C1的一端连接直流电源VCC，所述运算放大器U1A的负电源端和电容C1的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的USB供电线路损耗电压弥补与过载保护电路，其特征在于，所述门限比较单元包括电阻R5、电阻R6、电阻R10、电阻R11、二极管D1、电容C3和运算放大器U1B，所述电阻R5的一端连接直流电源VCC，所述电阻R5的另一端、电阻R6的一端和电阻R11的一端均与运算放大器U1B的正向输入端连接，所述运算放大器U1B的反向输入端与电阻R10的一端、电容C3的一端和二极管D2的负极连接，所述电阻R10、电阻R11和电容C3的另一端接地，所述电阻R6的另一端和二极管D1的负极与运算放大器U1B的输出端连接，所述二极管D1的正极与电阻R2和使能脚EN之间的节点连接。