車(chē)載ECU中USB接口電路供電保護設計

車(chē)載ECU的安全性能要求很高，在電氣、物理、化學(xué)等各方面，各大汽車(chē)廠(chǎng)商通常都有自己嚴格的標準。一般情況下，車(chē)載ECU的外部接口都要有各種故障保護電路，其中最重要的莫過(guò)于對車(chē)載12V電源或對地發(fā)生短路時(shí)的保護電路。由于USB接口可以直接輸出5伏電源，所以短路保護顯得尤為重要。本文設計的保護電路可以實(shí)現對USB電源輸出線(xiàn)的有效保護，無(wú)論USB電源輸出線(xiàn)VBUS發(fā)生對12V電源還是對地短路，均不影響車(chē)載ECU內部電路的正常工作，實(shí)現了本質(zhì)安全級的短路保護。

　　1、 前言

　　為了保證行車(chē)安全，車(chē)載ECU的安全性能要求很高，在設計時(shí)便要保證故障發(fā)生率盡量低。作為目前應用最為廣泛的移動(dòng)外設與主機間通訊接口，USB（Universal Serial Bus）具有成本低、使用簡(jiǎn)單、支持即插即用、易于擴展等特點(diǎn)，在車(chē)載娛樂(lè )和存儲設備上獲得了廣泛的應用。因為USB接口提供了內置電源，可提供 500mA以上的電流，對于一些功率較大的設備，如移動(dòng)硬盤(pán)等，其瞬時(shí)驅動(dòng)電流則可達到1A以上。如果車(chē)載ECU上帶有像USB總線(xiàn)這種可以直接輸出電源的接口，為防止接口電路發(fā)生對電源或對地短路時(shí)損壞機體，其接口部分通常都應具有保護電路，以便執行故障自診斷和保護功能。當系統產(chǎn)生故障時(shí)，它能在存儲體中自動(dòng)記錄故障代碼并采用保護措施，防止系統損壞，避免引起安全事故。

　　2、 電路設計

　　利用比較器并結合外圍電路，本文設計了一種可以自動(dòng)探測USB電源輸出線(xiàn)是否發(fā)了對12V電源或地短路，并且可以在短路故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)切斷電源供應的保護電路。另外，如果探測到聯(lián)接設備不在支持的USB設備之列，系統也可以借助本電路主動(dòng)斷開(kāi)電源供應，并自動(dòng)根據設備的連接狀態(tài)實(shí)現對電源供應的控制。具體電路如圖1所示。

圖1 USB VBUS短路保護電路

　　圖中MN1和MN2是USB電源通道上的兩個(gè)MOSFET，用于控制5伏電源的輸出，它們的G端都連接到比較器的輸出端上。比較器的正端電位值受 3.3伏和VBUS共同影響，負端電位值由Umid通過(guò)電阻分壓來(lái)決定，Umid的值總是與VCC5V和VBUS中的大者相同。本充分發(fā)揮二極管的正向導通和反向截止的作用，并對MOS管中快恢復二極管加以利用，利用一個(gè)比較器便可以構成一個(gè)窗口比較器。如果VBUS上的電壓落在窗口之外（例如12V供電電壓或地電平），那么比較器輸出低電平，關(guān)斷供電線(xiàn)的MOS管。這樣既使12V電壓無(wú)法進(jìn)入系統內部，也防止了系統5V供電因為對地短路而發(fā)生過(guò)流，起到了保護系統不受短路侵擾的作用。

　　3、 功能論證

　　假設比較器的兩個(gè)輸入端電位分別為U+和U-，輸出電位為UO，二極管D1和D2的電壓分別為UD1和UD2，可知：

　　U- = （Umid―UD1）R2/（R2+R3）； （1）

　　正常工作的情況下，U- U+，UO為高電平，MOS管處于打開(kāi)狀態(tài)。下面按照VBUS上電壓值的大小分兩種情況進(jìn)行討論，分析其值為多大時(shí)將使比較器輸出發(fā)生反轉，關(guān)斷電源輸出。

　　a、如果VBUS電壓大于5V， 因為二極管D2的反向截止作用，有：

　　U+ =3.3V； （2）

　　又因為MN1和MN2中快恢復二極管的作用：
VBUS=Umid； （3）

　　當U- > U+ 時(shí)，比較器輸出電平發(fā)生反轉，即：

　?。║mid―UD1）R2/（R2+R3）> 3.3 （4）

　　即：Umid > 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （5）

　　設此時(shí)VBUS的值為VBUSH，結合式（3）可得：

　　VBUSH= 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （6）

　　即當VBUS大于3.3（R2+R3）/ R2 + UD1時(shí)，比較器便會(huì )將MOS管關(guān)斷。

　　b、如果VBUS電壓小于3.3V，此時(shí)有：

　　U+ = VBUS+UD2 （7）

　　Umid = VCC5V （8）

　　當U- > U+ 時(shí)，比較器輸出電平發(fā)生反轉，由式（1）、（4）、（7）、（8），設此時(shí)VBUS的值為VBUSL，有：

　　VBUSL = （VCC5V―UD1）R2/（R2+R3）― UD2； （9）

　　即當VBUS小于（VCC5V―UD1）R2/（R2+R3）― UD2，比較器便會(huì )將MOS管關(guān)斷。

　　假設比較的輸出電壓為UO，其電壓傳輸特性如圖2所示：

圖2 電壓傳輸特性