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車載ECU的安全性能要求很高，在電氣、物理、化學等各方面，各大汽車廠商通常都有自己嚴格的標準。一般情況下，車載ECU的外部接口都要有各種故障保護電路，其中最重要的莫過于對車載12V電源或對地發生短路時的保護電路。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現對USB電源輸出線的有效保護，無論USB電源輸出線VBUS發生對12V電源還是對地短路，均不影響車載ECU內部電路的正常工作，實現了本質安全級的短路保護。 1、 前言 為了保證行車安全，車載ECU的安全性能要求很高，在設計時便要保證故障發生率盡量低。作為目前應用最為廣泛的移動外設與主機間通訊接口，USB（Universal Serial Bus）具有成本低、使用簡單、支持即插即用、易于擴展等特點，在車載娛樂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，如移動硬盤等，其瞬時驅動電流則可達到1A以上。如果車載ECU上帶有像USB總線這種可以直接輸出電源的接口，為防止接口電路發生對電源或對地短路時損壞機體，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。當系統產生故障時，它能在存儲體中自動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探測USB電源輸出線是否發了對12V電源或地短路，并且可以在短路故障發生時自動切斷電源供應的保護電路。另外，如果探測到聯接設備不在支持的USB設備之列，系統也可以借助本電路主動斷開電源供應，并自動根據設備的連接狀態實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通過電阻分壓來決定，Umid的值總是與VCC5V和VBUS中的大者相同。本充分發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，利用一個比較器便可以構成一個窗口比較器。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，關斷供電線的MOS管。這樣既使12V電壓無法進入系統內部，也防止了系統5V供電因為對地短路而發生過流，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- 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，比較器輸出電平發生反轉，即： （Umid—UD1）R2/（R2+R3）> 3.3 （4） 即：Umid > 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （5） 設此時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，比較器便會將MOS管關斷。 b、如果VBUS電壓小于3.3V，此時有： U+ = VBUS+UD2 （7） Umid = VCC5V （8） 當U- > U+ 時，比較器輸出電平發生反轉，由式（1）、（4）、（7）、（8），設此時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，比較器便會將MOS管關斷。 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 由上述討論可知，圖1所示電路可以僅用一個比較器來構成閾值可調的窗口比較器，實現了對USB供電電路的有效保護。當VBUS上連入的電壓大于 VBUSH或小于VBUSL時，比較器的輸出將變為低電平，關斷MOS管MN1和MN2，將系統電源VCC5V和VBUS 隔離開來。電路中C1和C2的作用是維持比較器輸入端電壓瞬時不變，另外，電路使用了三路幅值不同的電源，其中VCC12V用于比較器的供電，目的是在VBUS發生對電源短路時，防止比較器的負端輸入電壓大于其供電電壓，同時也是為了能夠充分打開MOS管MN1和MN2；VCC3.3V用作比較器正端參考電壓，不建議將正端參考電壓設置為高于3.3V，因為對于一些功耗較大的USB設備，其連接的瞬間會將VBUS拉低。這期間VBUS的值將會位于3.3V與5V之間，如果此時正端的參考電壓大于3.3V，比較器會有發生誤動作的風險。 為了安全起見，當系統探測到連接的外部設備不能識別，或是屬于不支持的設備時，系統要關斷USB的電力供應。此時，CPU可以通過打開MN3將比較器的輸出拉低，關斷MN1和MN2。這種情況下，外設的電源電路將會作為一個負載與R4和D2串聯組成一個回路。由于外設電源電路的輸入電阻很低，比較器同相端的將處于較低電位的狀態，從而產生正反饋效應，促使比較器也輸出低電位。由于比較器和MN3均是開集/漏結構，具有線與功能，所以此時系統CPU可以關斷MN3，通過比較器繼續維持UO的低電平狀態。只有外部設備斷開后，比較器的正端輸入電位變高，VBUS的供電線路才會恢復正常。 上述電路的功能在實際應用中得到了驗證。利用這個電路，當VBUS與12V電源或地發生短路時，系統內的5V電源絲毫不受影響，即不會發生電壓倒灌的現象也不會被拉低引起系統復位。 |
