中心論題：

• 保護電路的設計
• 保護電路的功能論證

解決方案：

• 利用比較器並結合外圍電路
• 設計在短路故障發生時自動切斷電源供應的保護電路

車載ECU的安全性能要求很高
，在電氣、物理、化學等各方麵
，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

，其中最重要的莫過於對車載12V電源或對地發生短路時的保護電路。由於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。

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、易於擴展等特點，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，對於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(zong)線(xian)這(zhe)種(zhong)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)輸(shu)出(chu)電(dian)源(yuan)的(de)接(jie)口(kou)
，為(wei)防(fang)止(zhi)接(jie)口(kou)電(dian)路(lu)發(fa)生(sheng)對(dui)電(dian)源(yuan)或(huo)對(dui)地(di)短(duan)路(lu)時(shi)損(sun)壞(huai)機(ji)體(ti)，其(qi)接(jie)口(kou)部(bu)分(fen)通(tong)常(chang)都(dou)應(ying)具(ju)有(you)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)，以(yi)便(bian)執(zhi)行(xing)故(gu)障(zhang)自(zi)診(zhen)斷(duan)和(he)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)。當(dang)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)故(gu)障(zhang)時(shi)
，它(ta)能(neng)在(zai)存(cun)儲(chu)體(ti)中(zhong)自(zi)動(dong)記(ji)錄(lu)故(gu)障(zhang)代(dai)碼(ma)並(bing)采(cai)用(yong)保(bao)護(hu)措(cuo)施(shi)，防(fang)止(zhi)係(xi)統(tong)損(sun)壞(huai)
，避(bi)免(mian)引(yin)起(qi)安(an)全(quan)事(shi)故(gu)。

電路設計
利用比較器並結合外圍電路


，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
，並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，係統也可以借助本電路主動斷開電源供應
，並自動根據設備的連接狀態實現對電源供應的控製。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

，用於控製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，並對MOS管中快恢複二極管加以利用，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），那麼比較器輸出低電平
，關斷供電線的MOS管。這樣既使12V電壓無法進入係統內部，也防止了係統5V供電因為對地短路而發生過流，起到了保護係統不受短路侵擾的作用。

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- < U+，UO為高電平，MOS管處於打開狀態。下麵按照VBUS上電壓值的大小分兩種情況進行討論，分析其值為多大時將使比較器輸出發生反轉，關斷電源輸出。
　　
a、如果VBUS電壓大於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中快恢複二極管的作用：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大於3.3（R2+R3）/ R2 + UD1時，比較器便會將MOS管關斷。
　　
b、如果VBUS電壓小於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小於（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上連入的電壓大於 VBUSH或小於VBUSL時
，比較器的輸出將變為低電平，關斷MOS管MN1和MN2
，將係統電源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用於比較器的供電，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於其供電電壓，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於3.3V
，因為對於一些功耗較大的USB設備
，其連接的瞬間會將VBUS拉低。這期間VBUS的值將會位於3.3V與5V之間，如果此時正端的參考電壓大於3.3V
，比較器會有發生誤動作的風險。
　　
為了安全起見
，當係統探測到連接的外部設備不能識別，或是屬於不支持的設備時，係統要關斷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(chuan)聯(lian)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)回(hui)路(lu)。由(you)於(yu)外(wai)設(she)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)很(hen)低(di)，比(bi)較(jiao)器(qi)同(tong)相(xiang)端(duan)的(de)將(jiang)處(chu)於(yu)較(jiao)低(di)電(dian)位(wei)的(de)狀(zhuang)態(tai)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)正(zheng)反(fan)饋(kui)效(xiao)應(ying)
，促(cu)使(shi)比(bi)較(jiao)器(qi)也(ye)輸(shu)出(chu)低(di)電(dian)位(wei)。由(you)於(yu)比(bi)較(jiao)器(qi)和(he)MN3均是開集/漏結構
，具有線與功能，所以此時係統CPU可以關斷MN3，通過比較器繼續維持UO的低電平狀態。隻有外部設備斷開後
，比較器的正端輸入電位變高
，VBUS的供電線路才會恢複正常。
　　
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，係統內的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係統複位。