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车载ECU中USB接口电路供电保护设计

王颖 龚爱萍 庄汝科?? 2008年09月22日 ?? 收藏0

  车载ECU的安全性能要求很高,在电气、物理、化学等各方面,各大汽车厂商通常都有自己严格的标准。一般情况下,车载ECU的外部接口都要有各种故障保护电路,其中最重要的莫过于对车载12V电源或对地发生短路时的保护电路。由于USB接口可以直接输出5伏电源,所以短路保护显得尤为重要。本文设计的保护电路可以实现对USB电源输出线的有效保护,无论USB电源输出线VBUS发生对12V电源还是对地短路,均不影响车载ECU内部电路的正常工作,实现了本质安全级的短路保护。

  1、 前言

  为了保证行车安全,车载ECU的安全性能要求很高,在设计时便要保证故障发生率尽量低。作为目前应用最为广泛的移动外设与主机间通讯接口,USB(Universal Serial Bus)具有成本低、使用简单、支持即插即用、易于扩展等特点,在车载娱乐和存储设备上获得了广泛的应用。因为USB接口提供了内置电源,可提供 500mA以上的电流,对于一些功率较大的设备,如移动硬盘等,其瞬时驱动电流则可达到1A以上。如果车载ECU上带有像USB总线这种可以直接输出电源的接口,为防止接口电路发生对电源或对地短路时损坏机体,其接口部分通常都应具有保护电路,以便执行故障自诊断和保护功能。当系统产生故障时,它能在存储体中自动记录故障代码并采用保护措施,防止系统损坏,避免引起安全事故。

  2、 电路设计

  利用比较器并结合外围电路,本文设计了一种可以自动探测USB电源输出线是否发了对12V电源或地短路,并且可以在短路故障发生时自动切断电源供应的保护电路。另外,如果探测到联接设备不在支持的USB设备之列,系统也可以借助本电路主动断开电源供应,并自动根据设备的连接状态实现对电源供应的控制。具体电路如图1所示。

USB VBUS短路保护电路

图1? USB VBUS短路保护电路

  图中MN1和MN2是USB电源通道上的两个MOSFET,用于控制5伏电源的输出,它们的G端都连接到比较器的输出端上。比较器的正端电位值受 3.3伏和VBUS共同影响,负端电位值由Umid通过电阻分压来决定,Umid的值总是与VCC5V和VBUS中的大者相同。本充分发挥二极管的正向导通和反向截止的作用,并对MOS管中快恢复二极管加以利用,利用一个比较器便可以构成一个窗口比较器。如果VBUS上的电压落在窗口之外(例如12V供电电压或地电平),那么比较器输出低电平,关断供电线的MOS管。这样既使12V电压无法进入系统内部,也防止了系统5V供电因为对地短路而发生过流,起到了保护系统不受短路侵扰的作用。

  3、 功能论证

  假设比较器的两个输入端电位分别为U+和U-,输出电位为UO,二极管D1和D2的电压分别为UD1和UD2,可知:

  U- = (Umid—UD1)R2/(R2+R3);?????????????????????????????? (1)

  正常工作的情况下,U- < U+,UO为高电平,MOS管处于打开状态。下面按照VBUS上电压值的大小分两种情况进行讨论,分析其值为多大时将使比较器输出发生反转,关断电源输出。

  a、如果VBUS电压大于5V, 因为二极管D2的反向截止作用,有:

  U+ =3.3V;??????????????????????????????????????????????????? (2)

  又因为MN1和MN2中快恢复二极管的作用:


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ECU? USB? 供电保护?

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