CN209823409U - 一种usb接口的设备保护电路及系统 - Google Patents

Abstract

一种USB接口的设备保护电路及系统，采用过压保护模块与USB接口的电源线连接，当检测到电源线的电压信号超过预设电压阈值时导通并输出电压信号；过流保护模块工作时，检测电源线的电流信号是否超过预设电流阈值，若超出则进行关断；电压释放模块与USB接口的电源线及多组信号线连接，当电源线或者信号线收到过压冲击时，对电压进行释放，以滤除异常高压。上述的设备保护电路及系统，通过过压保护模块和过流保护模块，实时监测电源线是否存在过压、过流情况，并当出现过压、过流情况时进行关断，并且电压释放模块及时释放异常高压，因此保护了USB接口以及USB接口设备不受过压、过流冲击，安全性、可靠性高，延长了USB接口以及USB接口设备的使用寿命。

Description

一种USB接口的设备保护电路及系统

技术领域

本实用新型属于USB接口技术领域，尤其涉及一种USB接口的设备保护电路及系统。

背景技术

USB接口(Universal Serial Bus，通用串行总线)包括公座和母座，用于连接USB接口设备，USB接口设备包括前端USB接口设备和后端USB接口设备。其中，公座连接前端USB接口设备，母座连接后端USB接口设备，前端USB接口设备与后端USB接口设备通过USB接口进行连接，并进行信号传输。然而，USB接口在进行信号传输时，容易出现过压、短路或者过流等情况，从而导致前端USB接口设备和后端USB接口设备烧损，安全性低。

因此，传统USB接口存在着容易出现过压、短路或者过流等情况而导致的前端USB接口设备和后端USB接口设备烧损的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种USB接口的设备保护电路及系统，旨在解决传统的USB接口存在的容易出现过压、短路或者过流等情况而导致的前端USB接口设备和后端USB接口设备烧损的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种USB接口的设备保护电路，所述USB接口包括公座、母座、电源线以及多组信号线，所述公座接前端USB接口设备，所述母座接所述后端USB接口设备，所述电源线和多组所述信号线用于将所述公座和所述母座进行连接，其特征在于，所述设备保护电路包括：

与所述电源线连接，被配置当且仅当检测到所述电源线的电压信号不超过预设电压阈值时进行导通并传输所述电压信号，以保护所述后端USB接口设备免受过压冲击的过压保护模块；

与所述过压保护模块连接，被配置为当接收到所述电压信号时输出驱动信号的使能模块；

与所述过压保护模块连接，被配置为当接收到所述驱动信号时工作，并且当检测到所述电源线的电流信号超过预设电流阈值时进行关断，以保护所述前端USB接口设备免受过流冲击的过流保护模块；以及

与所述电源线及多组所述信号线连接，被配置为当所述电源线或者所述信号线受到过压冲击时对所述电压信号进行释放的电压释放模块。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种USB接口的设备保护系统，包括前端USB接口设备和后端USB接口设备，其特征在于，还包括上述的USB接口设备保护电路。

上述的设备保护电路及系统，通过过压保护模块和过流保护模块，实时监测电源线是否存在过压、过流情况，并当出现过压、过流情况时进行关断，并且电压释放模块及时释放异常高压，因此保护了USB接口以及USB接口设备不受过压、过流冲击，安全性、可靠性高，延长了USB接口以及USB接口设备的使用寿命，解决了传统的USB接口存在的容易出现过压、短路或者过流等情况而导致的前端USB接口设备和后端USB接口设备烧损的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的一种USB接口的设备保护电路的模块结构示意图；

图2为图1所示的USB接口的设备保护电路的示例电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，为本实用新型一实施例提供的一种USB接口的设备保护电路的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

本实用新型实施例的第一方面提供了一种USB接口的设备保护电路，包括过压保护模块10、使能模块20、过流保护模块30以及电压释放模块40。

USB接口包括公座J1、母座J2、电源线以及多组信号线，公座J1接前端USB接口设备，母座J2接后端USB接口设备，电源线和多组信号线用于将公座J1和母座J2进行连接。本文将前端USB接口设备与后端USB接口设备统称为USB接口设备。电源线指公座J1的电源端1VBUS和母座J2的电源端2VBUS之间的连接线。

过压保护模块10与电源线连接，被配置当且仅当检测到电源线的电压信号不超过预设电压阈值时进行导通并传输电压信号，以保护后端USB接口设备免受过压冲击。

使能模块20与过压保护模块10连接，被配置为当接收到电压信号时输出驱动信号。

过流保护模块30与过压保护模块10连接，被配置为当接收到驱动信号时工作，并且当检测到电源线的电流信号超过预设电流阈值时进行关断，以保护前端USB接口设备免受过流冲击。

电压释放模块40与电源线及多组信号线连接，被配置为当电源线或者信号线受到过压冲击时对电压信号进行释放。

具体地，当电压信号超过预设电压阈值时，过压保护模块10关断，停止传输电压信号，电压释放模块40工作，将电源线或者信号线上的电压信号进行释放，缓冲USB接口设备受到的电压冲击，当电压信号恢复到小于或等于预设电压阈值时，过压保护模块10重新导通并传输电压信号。通过过压保护模块10和电压释放模块40的相互配合，达到保护USB接口设备免受过压冲击、延长USB接口设备和USB接口的使用寿命以及提高安全性的目的。

上述一种USB接口的设备保护电路，通过过压保护模块10和过流保护模块30，实时监测电源线是否存在过压、过流情况，并当出现过压、过流情况时进行关断，并且电压释放模块40及时释放异常高压，因此保护了USB接口以及USB接口设备不受过压、过流冲击，安全性、可靠性高，延长了USB接口以及USB接口设备的使用寿命，解决了传统的USB接口存在的容易出现过压、短路或者过流等情况而导致的前端USB接口设备和后端USB接口设备烧损的问题。

请参阅图2，为图1所示的USB接口的设备保护电路的示例电路图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，过压保护模块10包括保险丝F1和过压保护芯片U5。

其中，保险丝F1串接在电源线上，保险丝F1的第一端连接公座J1的电源端(图2采用1VBUS表示)；过压保护芯片U5的电压输入端(图2采用VIN表示)连接保险丝F1的第二端，过压保护芯片U5的电压输出端(图2采用OUT表示)连接使能模块20。

具体地，当电源线的电压信号超过极限电压阈值时，保险丝F1熔断。可选的，极限电压阈值大于预设电压阈值。

当电压信号不超过预设电压阈值时，过压保护芯片U5导通，电压信号经公座J1的电源端、保险丝F1、过压保护芯片U5的电压输入端及过压保护芯片U5的电压输出端，输出至使能模块20和过流保护模块30的电流输入端(图2采用IN表示)。

当电压信号超过预设电压阈值但尚未达到极限电压阈值时，过压保护芯片U5关断，中断电压信号的输出，以保护后端USB接口设备免受过压冲击而损毁。电压信号恢复到预设电压阈值时，过压保护芯片U5再次导通，进行电压信号的输送。

当电压信号超过极限电压阈值时，保险丝F1熔断，中断电压信号的输出。保险丝F1熔断后，需工作人员更换保险丝F1并且排除造成过压冲击的原因后，电路才能再次正常工作。

上述的过压保护模块10，通过过压保护芯片U5和保险丝F1分别对不同程度的过压情况及时作出保护措施(关断或熔断)，保护后端USB接口设备免受过压冲击，延长了USB接口和后端USB接口设备的使用寿命，安全性高、可靠性高。

在一可选实施例中，上述的使能模块20包括第一电阻R7和第一电容C6。

其中，第一电容C6的第一端和第一电阻R7的第一端共接作为使能模块20的电压输入端，使能模块20的电压输入端连接过压保护模块10；第一电阻R7的第二端作为使能模块20的驱动信号输出端，驱动信号输出端连接过流保护模块30；第一电容C6的第二端接地。

具体地，使能模块20的电压输入端连接过压保护芯片U5的电压输出端。第一电容C6为滤波电容，将过压保护芯片U5输出的电压信号进行滤波，以消除高频干扰。当第一电阻R7接收到电压信号时，经由第一电阻R7有电信号(驱动信号)输入至下述过流保护芯片U4的使能端，驱动过流保护芯片U4工作。

具体地，当使能模块20输出的电压大于或者等于过流保护芯片U4的使能端的电压阈值时，使能模块20输出的电压作为驱动信号驱动过流保护芯片U4工作；当使能模块20输出的电压小于过流保护芯片U4的使能端的电压阈值时，过流保护芯片U4处于关闭状态，电源中断。

在一可选实施例中，过流保护模块30包括过流保护芯片U4。

其中，过流保护芯片U4的驱动信号输入端连接使能模块20的驱动信号输出端，即第一电阻R7的第二端，当过流保护芯片U4接收到驱动信号时，开始工作。过流保护芯片U4的电流输入端连接使能模块20，即连接第一电阻R7的第一端，电压信号以电流信号的形式输入至过流保护芯片U4的电流输入端(图2采用IN表示)。

过流保护芯片U4检测电流信号是否存在过流情况，即检测电流信号是否超过预设电流阈值；当电路中出现短路情况时，也会导致过流情况。因此，过流保护芯片U4可检测电流信号是否超过预设电流阈值，并且当出现过流或短路情况时及时进行关断，以保护前端USB接口设备免受过流冲击。

在一可选实施例中，上述的过流保护模块30还包括过流门限调节电阻R8。

过流门限调节电阻R8的第一端与过流保护芯片U4的调节端(图2采用OCB表示)连接，过流门限调节电阻R8的第二端接地。

具体地，过流门限调节电阻R8通过被调整阻值，从而调整预设电流阈值，以使过流保护芯片U4适应不同载流能力的前端USB接口设备，扩大了该设备保护电路的适用范围。

调整预设电流阈值的公式为：

Imax＝6800/R8

其中，Imax为预设电流阈值。通过调节过流门限调节电阻R8的大小来实现过流保护的门限电流和短路保护的目的。

上述的USB接口中，多组信号线分别为第一信号线、第二信号线、第三信号线、第四信号线、第五信号线以及第六信号线。

具体地，第一信号线、第二信号线、第三信号线、第四信号线、第五信号线以及第六信号线分别是公座J1的端口D+与母座J2的端口D+之间的连接线、公座J1的端口D-与母座J2的端口D-之间的连接线、公座J1的端口TX-与母座J2的端口RX-之间的连接线、公座J1的端口TX+与母座J2的端口RX+之间的连接线、公座J1的端口RX-与母座J2的端口TX-之间的连接线以及公座J1的端口RX+与母座J2的端口TX+之间的连接线。

在一可选实施例中，上述的电压释放模块40包括第一释放单元401、第二释放单元402、第三释放单元403、第四释放单元404以及第五释放单元405。

其中，第一释放单元401与第一信号线及第二信号线连接，被配置为当第一信号线受到过压冲击时，将电压信号进行释放，以保护公座J1和前端USB接口设备。

具体地，第一释放单元401连接公座J1的第一信号输出端(即上述公座J1的端口D+)及公座J1的第二信号输出端(即上述公座J1的端口D-)。

可选的，第一释放单元401包括第一静电管ESD5和第二静电管ESD6。第一静电管ESD5的第一端连接第一信号线，具体连接在公座J1的第一信号输出端；第二静电管ESD6的第一端连接第二信号线,具体连接在公座J1的第二信号输出端；第一静电管ESD5的第二端和第二静电管ESD6的第二端接地。

第二释放单元402与第一信号线及第二信号线连接，被配置为当第一信号线受到过压冲击时，将电压信号进行释放，以保护母座J2和后端USB接口设备。

具体地，第二释放单元402连接母座J2的第一信号输入端(即上述母座J2的端口D+)及母座J2的第二信号输入端(即上述母座J2的端口D-)。

可选的，第二释放单元402包括第一静电保护芯片T4(图2采用T4表示)。第一静电保护芯片T4的第一输入端连接第一信号线，具体连接在母座J2的第一信号输入端；第一静电保护芯片T4的第二输入端连接第二信号线，具体连接在母座J2的第二信号输入端；第一静电保护芯片T4的电源端连接电源线，第一静电保护芯片T4的接地端接地。

第三释放单元403与第三信号线、第四信号线、第五信号线及第六信号线连接，被配置为当第三信号线、第四信号线、第五信号线或者第六信号线受到过压冲击时，将电压信号进行释放，以保护公座J1、母座J2及USB接口设备。

可选的，第二静电保护芯片U6。

其中，第二静电保护芯片U6串接在第三信号线、第四信号线、第五信号线及第六信号线上。

具体地，第二静电保护芯片U6的第一输入端(图2采用IN1表示)及第一输出端(图2采用OUT1表示)连接第三信号线，具体为：第二静电保护芯片U6的第一输入端连接公座J1的第三信号输出端(即上述的公座J1的端口TX-)，第二静电保护芯片U6的第一输出端连接母座J2的第三信号输入端(即上述母座J2的端口RX-)。

第二静电保护芯片U6的第二输入端(图2采用IN2表示)及第二输出端(图2采用OUT2表示)连接第四信号线，具体为：第二静电保护芯片U6的第二输入端连接公座J1的第四信号输出端(即上述的公座J1的端口TX+)，第二静电保护芯片U6的第二输出端连接母座J2的第四信号输入端(即上述母座J2的端口RX+)。

第二静电保护芯片U6的第三输入端(图2采用3IN表示)及第三输出端(图2采用OUT3表示)连接第五信号线，具体为：第二静电保护芯片U6的第三输入端连接母座J2的第五信号输出端(即上述母座J2的端口TX-)，第二静电保护芯片U6的第三输出端连接公座J1的第五信号输入端(即上述的公座J1的端口RX-)。

第二静电保护芯片U6的第四输入端(图2采用4IN表示)及第四输出端(图2采用OUT4表示)连接第六信号线，具体为：第二静电保护芯片U6的第四输入端连接母座J2的第六信号输出端(即上述母座J2的端口TX+)，第二静电保护芯片U6的第四输出端连接公座J1的第六信号输入端(即上述的公座J1的端口RX+)。

第四释放单元404与电源线连接，被配置为当电源线受到过压冲击时，将电压信号进行释放，以保护USB接口和USB接口设备。

可选的，第四释放单元404包括第一瞬态抑制二极管D4和第二瞬态抑制二极管D3。

具体地，第一瞬态抑制二极管D4的阴极连接电源线以及过压保护模块10，第一瞬态抑制二极管D4的阳极接地；第二瞬态抑制二极管D3的阴极连接电源线以及过流保护模块30，第二瞬态抑制二极管D3的阳极接地。

第五释放单元405与公座J1的外壳及母座J2的外壳连接，被配置为将公座J1的外壳及母座J2的外壳产生的静电进行释放。

可选的，第五释放单元405包括第一释放电容C7和第二释放电容C8。

具体地，第一释放电容C7的第一端连接公座J1的外壳(图2采用公座J1上的S1和S2端口表示)，第一释放电容C7的第二端接地；第二释放电容C8的第二端连接母座J2的外壳(图2采用母座J2上的S1和S2端口表示)，第二释放电容C8的第二端接地。

当USB接口设备受到过压冲击时，由第一释放单元401、第二释放单元402、第三释放单元403、第四释放单元404及第五释放单元405对高压进行释放，从而保护USB接口设备免受过压冲击，延长USB接口设备的使用寿命，提高USB接口的安全性和可靠性。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种USB接口的设备保护系统，包括前端USB接口设备和后端USB接口设备，还包括上述的USB接口的设备保护电路。

综上所述，本实用新型提供了一种USB接口的设备保护电路及系统，通过过压保护模块和过流保护模块，实时监测电源线是否存在过压、过流情况，并当出现过压、过流情况时进行关断，并且电压释放模块及时释放异常高压，因此保护了USB接口以及USB接口设备不受过压、过流冲击，安全性、可靠性高，延长了USB接口以及USB接口设备的使用寿命，解决了传统的USB接口存在的容易出现过压、短路或者过流等情况而导致的前端USB接口设备和后端USB接口设备烧损的问题。

在本文对各种电路和系统描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种USB接口的设备保护电路，所述USB接口包括公座、母座、电源线以及多组信号线，所述公座接前端USB接口设备，所述母座接所述后端USB接口设备，所述电源线和多组所述信号线用于将所述公座和所述母座进行连接，其特征在于，所述设备保护电路包括：

与所述电源线连接，被配置当且仅当检测到所述电源线的电压信号不超过预设电压阈值时进行导通并传输所述电压信号，以保护所述后端USB接口设备免受过压冲击的过压保护模块；

与所述过压保护模块连接，被配置为当接收到所述电压信号时输出驱动信号的使能模块；

与所述过压保护模块连接，被配置为当接收到所述驱动信号时工作，并且当检测到所述电源线的电流信号超过预设电流阈值时进行关断，以保护所述前端USB接口设备免受过流冲击的过流保护模块；以及

与所述电源线及多组所述信号线连接，被配置为当所述电源线或者所述信号线受到过压冲击时对所述电压信号进行释放的电压释放模块。

2.如权利要求1所述的设备保护电路，其特征在于，所述过压保护模块包括：

保险丝和过压保护芯片；

所述保险丝串接在所述电源线上，所述保险丝的第一端连接所述公座的电源端；所述过压保护芯片的电压输入端连接所述保险丝的第二端，所述过压保护芯片的电压输出端连接所述使能模块。

3.如权利要求1所述的设备保护电路，其特征在于，所述使能模块包括：

第一电阻和第一电容；

所述第一电容的第一端和所述第一电阻的第一端共接作为所述使能模块的电压输入端，所述使能模块的电压输入端连接所述过压保护模块；所述第一电阻的第二端作为所述使能模块的驱动信号输出端，所述驱动信号输出端连接所述过流保护模块；所述第一电容的第二端接地。

4.如权利要求1所述的设备保护电路，其特征在于，所述过流保护模块包括：

过流保护芯片；

所述过流保护芯片的电流输入端连接所述使能模块；所述过流保护芯片的驱动信号输入端连接所述使能模块，用于接收所述驱动信号。

5.如权利要求4所述的设备保护电路，其特征在于，所述过流保护模块还包括：

过流门限调节电阻；

所述过流门限调节电阻的第一端与所述过流保护芯片的调节端连接，所述过流门限调节电阻的第二端接地。

6.如权利要求1所述的设备保护电路，多组所述信号线包括第一信号线、第二信号线、第三信号线、第四信号线、第五信号线以及第六信号线；其特征在于，所述电压释放模块包括：

与所述第一信号线及所述第二信号线连接，被配置为当所述第一信号线受到过压冲击时，将所述电压信号进行释放，以保护所述公座和所述前端USB接口设备的第一释放单元；

与所述第一信号线及所述第二信号线连接，被配置为当所述第一信号线受到过压冲击时，将所述电压信号进行释放，以保护所述母座和所述后端USB接口设备的第二释放单元；

与所述第三信号线、所述第四信号线、所述第五信号线及所述第六信号线连接，被配置为当所述第三信号线、所述第四信号线、所述第五信号线或者所述第六信号线受到过压冲击时，将所述电压信号进行释放，以保护所述公座、所述母座、所述前端USB接口设备及所述后端USB接口设备的第三释放单元；

与所述电源线连接，被配置为当所述电源线受到过压冲击时，将所述电压信号进行释放，以保护所述公座、所述母座、所述前端USB接口设备及所述后端USB接口设备的第四释放单元；以及

与所述公座的外壳及所述母座的外壳连接，被配置为将所述公座的外壳及所述母座的外壳产生的静电进行释放的第五释放单元。

7.如权利要求6所述的设备保护电路，其特征在于，

所述第一释放单元包括：

第一静电管和第二静电管；

所述第一静电管的第一端连接所述第一信号线，所述第二静电管的第一端连接所述第二信号线,所述第一静电管的第二端和所述第二静电管的第二端接地；

所述第二释放单元包括：

第一静电保护芯片；

所述第一静电保护芯片的第一输入端连接所述第一信号线，所述第一静电保护芯片的第二输入端连接所述第二信号线，所述第一静电保护芯片的电源端连接所述电源线，所述第一静电保护芯片的接地端接地。

8.如权利要求6所述的设备保护电路，其特征在于，所述第三释放单元包括：

第二静电保护芯片；

所述第二静电保护芯片串接在所述第三信号线、所述第四信号线、所述第五信号线及所述第六信号线上；

所述第二静电保护芯片的第一输入端及第一输出端连接所述第三信号线，所述第二静电保护芯片的第二输入端及第二输出端连接所述第四信号线，所述第二静电保护芯片的第三输入端及第三输出端连接所述第五信号线，所述第二静电保护芯片的第四输入端及第四输出端连接所述第六信号线。

9.如权利要求6所述的设备保护电路，其特征在于，

所述第四释放单元包括：

第一瞬态抑制二极管和第二瞬态抑制二极管；

所述第一瞬态抑制二极管的阴极连接所述电源线以及所述过压保护模块，所述第一瞬态抑制二极管的阳极接地；所述第二瞬态抑制二极管的阴极连接所述电源线以及所述过流保护模块，所述第二瞬态抑制二极管的阳极接地；

所述第五释放单元包括：

第一释放电容和第二释放电容；

所述第一释放电容的第一端连接所述公座的外壳，所述第一释放电容的第二端接地；所述第二释放电容的第二端连接所述母座的外壳，所述第二释放电容的第二端接地。

10.一种USB接口的设备保护系统，包括前端USB接口设备和后端USB接口设备，其特征在于，还包括如权利要求1～9任一项所述的USB接口的设备保护电路。