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線路與地之間的典型電容），能將USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路中的信號衰減降至最低。該器件滿足13 kV接觸放電的系統(tǒng)級IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，并能承受人體模型3B類（超過8 kV）和機器模型C類（超過400V）的CMOS器件級ESD額定脈沖，具有強固的ESD保護(hù)性能。此外，它采用SOT563封裝，尺寸僅為1.6×1.6×0.55mm，非常適合計算機、手機、MP3播放器等應(yīng)用中的USB2.0高速數(shù)據(jù)線路及其它高速應(yīng)用的ESD保護(hù)。

NUP4114UPXV6能夠保護(hù)多達(dá)4條數(shù)據(jù)線路，驅(qū)使瞬態(tài)過壓達(dá)到鉗位參考點，讓應(yīng)用免受瞬態(tài)過壓條件影響。無論什么時候，只要受保護(hù)線路上的電壓超過參考電壓（Vf或VCC+Vf），器件中的控向（steering）二極管將正向偏置。這些二極管會迫使瞬態(tài)電流不經(jīng)過敏感的CMOS芯片，而從其旁路流過。

在保護(hù)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)線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（trace）長度也非常重要。

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)過壓。控向二極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保護(hù)4條數(shù)據(jù)線路。該器件可在引腳5與VCC之間串聯(lián)10kΩ電阻實現(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二極管作為參考來保護(hù)4條數(shù)據(jù)線路。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，只要受保護(hù)線路上的電壓超過TVS工作電壓與一個二極管壓降的和（VC= Vf +VTVS）時，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條線路組成，其中D+和D-用于雙向數(shù)據(jù)傳輸，其余2條線路用于總線電壓及接地。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元件還會抑制電壓總線（VBUS）上的ESD事件。NUP4114UPXV6通過這些方式保護(hù)USB 2.0高速數(shù)據(jù)線路應(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)線路。圖2所示的USB 2.0應(yīng)用不帶識別（ID）線路。這類不帶ID線路的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線路的USB 2.0應(yīng)用（見圖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)計了一種可以自動探測USB電源輸出線是否發(fā)了對12V電源或地短路，并且可以在短路故障發(fā)生時自動切斷電源供應(yīng)的保護(hù)電路。另外，如果探測到聯(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斷開電源供應(yīng)，并自動根據(jù)設(shè)備的連接狀態(tài)實現(xiàn)對電源供應(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(fā)揮二極管的正向?qū)ê头聪蚪刂沟淖饔茫OS管中快恢復(fù)二極管加以利用，利用一個比較器便可以構(gòu)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(guān)斷供電線的MOS管。這樣既使12V電壓無法進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，也防止了系統(tǒng)5V供電因為對地短路而發(fā)生過流，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(fù)二極管的作用：

VBUS=Umid； （3）

當(dāng)U- 》 U+ 時，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，比較器便會將MOS管關(guān)斷。

b、如果VBUS電壓小于3.3V，此時有：

U+ = VBUS+UD2 （7）

Umid = VCC5V （8）

當(dāng)U- 》 U+ 時，比較器輸出電平發(fā)生反轉(zhuǎn)，由式（1）、（4）、（7）、（8），設(shè)此時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所示電路可以僅用一個比較器來構(gòu)成閾值可調(diào)的窗口比較器，實現(xiàn)了對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，比較器的輸出將變?yōu)榈碗娖剑P(guān)斷MOS管MN1和MN2，將系統(tǒng)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(fā)生對電源短路時，防止比較器的負(fù)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(shè)置為高于3.3V，因為對于一些功耗較大的USB設(shè)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(fā)生誤動作的風(fēng)險。

為了安全起見，當(dāng)系統(tǒng)探測到連接的外部設(shè)備不能識別，或是屬于不支持的設(shè)備時，系統(tǒng)要關(guān)斷USB的電力供應(yīng)。此時，CPU可以通過打開MN3將比較器的輸出拉低，關(guān)斷MN1和MN2。這種情況下，外設(shè)的電源電路將會作為一個負(fù)載與R4和D2串聯(lián)組成一個回路。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均是開集/漏結(jié)構(gòu)，具有線與功能，所以此時系統(tǒng)CPU可以關(guān)斷MN3，通過比較器繼續(xù)維持UO的低電平狀態(tài)。只有外部設(shè)備斷開后，比較器的正端輸入電位變高，VBUS的供電線路才會恢復(fù)正常。

上述電路的功能在實際應(yīng)用中得到了驗證。利用這個電路，當(dāng)VBUS與12V電源或地發(fā)生短路時，系統(tǒng)內(nèi)的5V電源絲毫不受影響，即不會發(fā)生電壓倒灌的現(xiàn)象也不會被拉低引起系統(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 來實現(xiàn)DAC 控制。計算機可以通過USB 接口控制AD558 輸出所需的各種模擬信號。由于計算機的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，因此這兩根信號線直接影響USB接口電路的穩(wěn)定性，在印制電路板布線的時候需要仔細(xì)布置。D+和D-的走線應(yīng)盡可能短且相等，并且合理設(shè)置D+和D-的導(dǎo)線寬度和間距。D+和D-之間的差分阻抗應(yīng)該為90W±10%.保證在D+和D-信號的下面是完整的GND 層。中間斷開的GND 層將導(dǎo)致差分阻抗不匹配，并增加信號的干擾。