车载ECU中USB接口电路供电保护设计

      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。

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。