usb保護(hù)電路圖大全（USB控制器/轉(zhuǎn)換器AD558/比較器）

usb保護(hù)電路圖（一）

NUP4114UPXV6的特性及配置選擇

NUP4114UPXV6是一款非常適合USB 2.0高速數(shù)據(jù)線(xiàn)路ESD保護(hù)的TVS二極管陣列。該器件具有0.8pF的極低電容（I/O線(xiàn)路與地之間的典型電容），能將USB 2.0高速數(shù)據(jù)線(xiàn)路中的信號(hào)衰減降至最低。該器件滿(mǎn)足13 kV接觸放電的系統(tǒng)級(jí)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，并能承受人體模型3B類(lèi)（超過(guò)8 kV）和機(jī)器模型C類(lèi)（超過(guò)400V）的CMOS器件級(jí)ESD額定脈沖，具有強(qiáng)固的ESD保護(hù)性能。此外，它采用SOT563封裝，尺寸僅為1.6×1.6×0.55mm，非常適合計(jì)算機(jī)、手機(jī)、MP3播放器等應(yīng)用中的USB2.0高速數(shù)據(jù)線(xiàn)路及其它高速應(yīng)用的ESD保護(hù)。

NUP4114UPXV6能夠保護(hù)多達(dá)4條數(shù)據(jù)線(xiàn)路，驅(qū)使瞬態(tài)過(guò)壓達(dá)到鉗位參考點(diǎn)，讓?xiě)?yīng)用免受瞬態(tài)過(guò)壓條件影響。無(wú)論什么時(shí)候，只要受保護(hù)線(xiàn)路上的電壓超過(guò)參考電壓（Vf或VCC+Vf），器件中的控向（steering）二極管將正向偏置。這些二極管會(huì)迫使瞬態(tài)電流不經(jīng)過(guò)敏感的CMOS芯片，而從其旁路流過(guò)。

在保護(hù)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)線(xiàn)路連接至這器件的引腳1、3、4和6。負(fù)參考連接至引腳2，且該引腳必須通過(guò)接地層（ground plane）直接連接至地，從而將印制電路板（PCB）的接地電感降至最低。為將寄生電感降至最低，盡可能縮短走線(xiàn)（trace）長(zhǎng)度也非常重要。

NUP4114UPXV6有3種配置選擇。配置選擇1采用VCC作為參考，保護(hù)4條線(xiàn)路及電源（圖1）。在這種配置中，引腳5直接連接至正電源輸入端（VCC），數(shù)據(jù)線(xiàn)路以電源電壓為參考。內(nèi)部的TVS二極管防止電源輸入端上出現(xiàn)過(guò)壓?？叵蚨O管的偏置可降低它們的電容。

配置選擇2采用偏置及電源隔離電阻來(lái)保護(hù)4條數(shù)據(jù)線(xiàn)路。該器件可在引腳5與VCC之間串聯(lián)10kΩ電阻實(shí)現(xiàn)與電源隔離。這將在內(nèi)部TVS及控向二極管上維持偏置，并降低它們的電容。

配置選擇3采用內(nèi)部TVS二極管作為參考來(lái)保護(hù)4條數(shù)據(jù)線(xiàn)路。在缺乏正電源參考的應(yīng)用，或是需要完全隔離型電源的應(yīng)用中，可以采用內(nèi)部TVS作為參考。在這些應(yīng)用中，引腳5不連接。采用這種配置時(shí)，只要受保護(hù)線(xiàn)路上的電壓超過(guò)TVS工作電壓與一個(gè)二極管壓降的和（VC= Vf +VTVS）時(shí)，控向二極管導(dǎo)通。

利用NUP4114UPXV6保護(hù)USB 2.0高速數(shù)據(jù)應(yīng)用

USB端口由4條線(xiàn)路組成，其中D+和D-用于雙向數(shù)據(jù)傳輸，其余2條線(xiàn)路用于總線(xiàn)電壓及接地。圖2是NUP4114UPXV6為USB2.0高速數(shù)據(jù)應(yīng)用提供ESD保護(hù)的電路圖。

USB控制器

如果發(fā)生ESD瞬態(tài)事件，器件中的控向二極管使瞬態(tài)電流避開(kāi)受保護(hù)的IC，而集成的TVS器件將浪涌電流轉(zhuǎn)移到地。TVS元件還會(huì)抑制電壓總線(xiàn)（VBUS）上的ESD事件。NUP4114UPXV6通過(guò)這些方式保護(hù)USB 2.0高速數(shù)據(jù)線(xiàn)路應(yīng)用中的敏感IC。

其它USB 2.0高速應(yīng)用ESD保護(hù)方案

NUP4114UPXV6是一款集成型方案，用于保護(hù)2條USB 2.0高速數(shù)據(jù)線(xiàn)路。圖2所示的USB 2.0應(yīng)用不帶識(shí)別（ID）線(xiàn)路。這類(lèi)不帶ID線(xiàn)路的USB 2.0應(yīng)用除了可以采用NUP4114UPXV6之外，還可以采用集成型解決方案NUP2114。此外，這類(lèi)應(yīng)用中還可以采用不同的分立方案，比如搭配2顆ESD9L和1顆ESD9X，或者搭配1顆ESD7L和1顆ESD9X，或者搭配1顆最新的ESD11L和1顆ESD9X。

此外，在帶ID線(xiàn)路的USB 2.0應(yīng)用（見(jiàn)圖3a）中，同樣可以采用分立或集成ESD保護(hù)方案。比如搭配3顆ESD9L和1顆ESD9X作為分立ESD保護(hù)方案，或者采用單顆的NUP3115UP或NUP4114UP這樣的集成方案，如圖3所示。

usb保護(hù)電路圖（二）

利用比較器并結(jié)合外圍電路，本文設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)探測(cè)USB電源輸出線(xiàn)是否發(fā)了對(duì)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(yīng)的保護(hù)電路。另外，如果探測(cè)到聯(lián)接設(shè)備不在支持的USB設(shè)備之列，系統(tǒng)也可以借助本電路主動(dòng)斷開(kāi)電源供應(yīng)，并自動(dòng)根據(jù)設(shè)備的連接狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源供應(yīng)的控制。具體電路如圖1所示。

圖1 USB VBUS短路保護(hù)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(fù)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?qū)ê头聪蚪刂沟淖饔茫?duì)MOS管中快恢復(fù)二極管加以利用，利用一個(gè)比較器便可以構(gòu)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(tǒng)內(nèi)部，也防止了系統(tǒng)5V供電因?yàn)閷?duì)地短路而發(fā)生過(guò)流，起到了保護(hù)系統(tǒng)不受短路侵?jǐn)_的作用。

3、 功能論證

假設(shè)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(zhuǎn)，關(guān)斷電源輸出。

a、如果VBUS電壓大于5V， 因?yàn)槎O管D2的反向截止作用，有：

U+ =3.3V； （2）

又因?yàn)镸N1和MN2中快恢復(fù)二極管的作用：

VBUS=Umid； （3）

當(dāng)U- 》 U+ 時(shí)，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，即：

（Umid—UD1）R2/（R2+R3）》 3.3 （4）

即：Umid 》 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （5）

設(shè)此時(shí)VBUS的值為VBUSH，結(jié)合式（3）可得：

VBUSH= 3.3（R2+R3）/ R2 + UD1 （6）

即當(dāng)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(dāng)U- 》 U+ 時(shí)，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，由式（1）、（4）、（7）、（8），設(shè)此時(shí)VBUS的值為VBUSL，有：

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

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

假設(shè)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?xún)H用一個(gè)比較器來(lái)構(gòu)成閾值可調(diào)的窗口比較器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)USB供電電路的有效保護(hù)。當(dāng)VBUS上連入的電壓大于 VBUSH或小于VBUSL時(shí)，比較器的輸出將變?yōu)榈碗娖?，關(guān)斷MOS管MN1和MN2，將系統(tǒng)電源VCC5V和VBUS 隔離開(kāi)來(lái)。電路中C1和C2的作用是維持比較器輸入端電壓瞬時(shí)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(fā)生對(duì)電源短路時(shí)，防止比較器的負(fù)端輸入電壓大于其供電電壓，同時(shí)也是為了能夠充分打開(kāi)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(shè)置為高于3.3V，因?yàn)閷?duì)于一些功耗較大的USB設(shè)備，其連接的瞬間會(huì)將VBUS拉低。這期間VBUS的值將會(huì)位于3.3V與5V之間，如果此時(shí)正端的參考電壓大于3.3V，比較器會(huì)有發(fā)生誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。

為了安全起見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到連接的外部設(shè)備不能識(shí)別，或是屬于不支持的設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)要關(guān)斷USB的電力供應(yīng)。此時(shí)，CPU可以通過(guò)打開(kāi)MN3將比較器的輸出拉低，關(guān)斷MN1和MN2。這種情況下，外設(shè)的電源電路將會(huì)作為一個(gè)負(fù)載與R4和D2串聯(lián)組成一個(gè)回路。由于外設(shè)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(tài)，從而產(chǎn)生正反饋效應(yīng)，促使比較器也輸出低電位。由于比較器和MN3均是開(kāi)集/漏結(jié)構(gòu)，具有線(xiàn)與功能，所以此時(shí)系統(tǒng)CPU可以關(guān)斷MN3，通過(guò)比較器繼續(xù)維持UO的低電平狀態(tài)。只有外部設(shè)備斷開(kāi)后，比較器的正端輸入電位變高，VBUS的供電線(xiàn)路才會(huì)恢復(fù)正常。

上述電路的功能在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。利用這個(gè)電路，當(dāng)VBUS與12V電源或地發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的5V電源絲毫不受影響，即不會(huì)發(fā)生電壓倒灌的現(xiàn)象也不會(huì)被拉低引起系統(tǒng)復(fù)位。

usb保護(hù)電路圖（三）

本系統(tǒng)采用USB 控制芯片PDIUSBD12 和D/A 轉(zhuǎn)換器AD558 來(lái)實(shí)現(xiàn)DAC 控制。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)USB 接口控制AD558 輸出所需的各種模擬信號(hào)。由于計(jì)算機(jī)的USB 接口具有向外供電的功能，因此這里采用USB 接口的電源為PDIUSBD12 芯片供電。

AD558 的數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接到PDIUSBD12.AD558 工作于0~+10V 模擬電壓輸出模式。電容C9 和C10 用于改善輸出波形。AD558 采用單一的12V 供電，不需要外接基準(zhǔn)電壓源。數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的電路原理圖如圖3 所示。

USB 接口中的D+和D-用于高速的USB 數(shù)據(jù)傳輸，因此這兩根信號(hào)線(xiàn)直接影響USB接口電路的穩(wěn)定性，在印制電路板布線(xiàn)的時(shí)候需要仔細(xì)布置。D+和D-的走線(xiàn)應(yīng)盡可能短且相等，并且合理設(shè)置D+和D-的導(dǎo)線(xiàn)寬度和間距。D+和D-之間的差分阻抗應(yīng)該為90W±10%.保證在D+和D-信號(hào)的下面是完整的GND 層。中間斷開(kāi)的GND 層將導(dǎo)致差分阻抗不匹配，并增加信號(hào)的干擾。