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。
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：
VBUS=Umid； （3）
当U- > U+ 时，比较器输出电平发生反转，即：
（Umid—UD1）R2/（R2+R3）> 3.3 （4）
即：Umid > 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （5）
设此时VBUS的值为VBUSH，结合式（3）可得：
VBUSH= 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （6）
即当VBUS大于3.3（R2+R3）/ R2 + UD1时，比较器便会将MOS管关断。
b、如果VBUS电压小于3.3V，此时有：
U+ = VBUS+UD2 （7）
Umid = VCC5V （8）
当U- > U+ 时，比较器输出电平发生反转，由式（1）、（4）、（7）、（8），设此时VBUS的值为VBUSL，有：
VBUSL = （VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2； （9）
即当VBUS小于（VCC5V—UD1）R2/（R2+R3）— UD2，比较器便会将MOS管关断。
假设比较的输出电压为UO，其电压传输特性如图2所示：
图2 电压传输特性
由上述讨论可知，图1所示电路可以仅用一个比较器来构成阈值可调的窗口比较器，实现了对USB供电电路的有效保护。当VBUS上连入的电压大于VBUSH或小于VBUSL时，比较器的输出将变为低电平，关断MOS管MN1和MN2，将系统电源VCC5V和VBUS隔离开来。电路中C1和C2的作用是维持比较器输入端电压瞬时不变，另外，电路使用了三路幅值不同的电源，其中VCC12V用于比较器的供电，目的是在VBUS发生对电源短路时，防止比较器的负端输入电压大于其供电电压，同时也是为了能够充分打开MOS管MN1和MN2；VCC3.3V用作比较器正端参考电压，不建议将正端参考电压设置为高于3.3V，因为对于一些功耗较大的USB设备，其连接的瞬间会将VBUS拉低。这期间VBUS的值将会位于3.3V与5V之间，如果此时正端的参考电压大于3.3V，比较器会有发生误动作的风险。
为了安全起见，当系统探测到连接的外部设备不能识别，或是属于不支持的设备时，系统要关断USB的电力供应。此时，CPU可以通过打开MN3将比较器的输出拉低，关断MN1和MN2。这种情况下，外设的电源电路将会作为一个负载与R4和D2串联组成一个回路。由于外设电源电路的输入电阻很低，比较器同相端的将处于较低电位的状态，从而产生正反馈效应，促使比较器也输出低电位。由于比较器和MN3均是开集/漏结构，具有线与功能，所以此时系统CPU可以关断MN3，通过比较器继续维持UO的低电平状态。只有外部设备断开后，比较器的正端输入电位变高，VBUS的供电线路才会恢复正常。
上述电路的功能在实际应用中得到了验证。利用这个电路，当VBUS与12V电源或地发生短路时，系统内的5V电源丝毫不受影响，即不会发生电压倒灌的现象也不会被拉低引起系统复位。 |
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