CN104035357A - 基于usb插座的耳机、充电和otg设备的电路设计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，包括MircoUSB接口模块、SwitchCircuit交换电路开关模块、充电电路模块、USB数据通道接口、AUDIO语音通道接口、VBUS检测电路模块、MIC/ID切换开关模块。主要解决当前的USB/OTG/充电/耳机等设备的设计问题，提出一种VBUS检测电路的设计，利用VBUS引脚信号实现USB/OTG/充电设备与耳机设备之间的检测问题，然后还提出一种MIC/ID通道切换控制电路的设计，通过VBUS检测电路的中断信号检测结果，提供硬件控制和软件CPU控制两套可选的MIC/ID通道切换的控制方案，解决ID与MIC信号的复用问题。

Description

基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计
技术领域
本发明涉及USB插座的电路设计的技术领域，特别涉及一种基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计。
背景技术
USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)协议允许外设在主机和其它外设工作时进行连接配置、使用及移除(即俗称的即插即用)，同时USB总线的应用可以清除PC上过的I/O端口，而以若干个串行通道取代，使得PC与外设之间的连接更加方便简洁。
当前USB实现耳机、充电以及OTG设备的支持的功能是是通过MIC与VBUS复用，但是MIC与VBUS复用时存在负压防护的问题，不能满足产品对品质的要求。
目前，一些特殊产品设备需求无3.5mm耳机座设计时存在的问题，无3.5mm耳机主要是利用USB插座实现耳机的功能，然而在USB耳机复用时会存在一些诸如MIC信号如何设计的问题。
通常VBUS或者ID脚可以实现MIC功能，然而二者在复用时都会存在问题：VBUS复用MIC信号时存在负压防护以及MIC的隔离问题，ID复用MIC时存在三段式耳机与OTG设备的兼容问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，解决对于当前普遍基本需求的关于USB/OTG/充电/耳机的设计问题，首先通过提出了一种VBUS检测电路的设计实现不同设备的检测；然后还提出了一种MIC/ID开关控制电路的设计解决ID信号作为MIC的复用问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，包括Mirco USB接口模块、充电电路模块、USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口，其特征在于，还包括VBUS检测电路模块、Switch Circuit交换电路开关模块、MIC/ID切换开关模块；
所述的Micro USB接口模块包括至少5个以上引脚，其中第一引脚对应VBUS引脚，分别与充电电路模块和Switch Circuit交换电路开关模块连接，第二、第三引脚对应DM引脚、DP引脚，通过Switch Circuit交换电路开关模块转接后分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口连接，第四引脚对应ID引脚，通过MIC/ID切换开关模块转接后也分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口连接，第五引脚对应GND引脚，该引脚接地；
所述的VBUS检测电路模块，与充电电路模块相连，用于检测中断电平高低来区分判断USB/OTG/充电设备与耳机设备；该VBUS检测电路模块还分别与MIC/ID切换开关模块和Switch Circuit交换电路开关模块相连；
所述的MIC/ID切换开关模块，分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口相连，该模块通过上述VBUS检测电路模块的检测结果来切换Micro USB接口模块第四引脚与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口的导通。
优选的，所述的Micro USB接口模块包括5个引脚规格和7个引脚规格，其中7个引脚规格的Micro USB接口模块的第一、第二引脚对应VBUS引脚、第三引脚对应DM引脚、第四引脚对应DP引脚、第五引脚对应ID引脚以及第六、第七引脚都对应GND引脚。
优选的，所述的VBUS检测电路模块的设备检测功能由TSOP5封装的比较器LMV331SQ3T2G实现，该模块的电路包括USB-VCHR引脚、VIO18-PMU引脚、HP-DET-INT13引脚、TSOP5封装的比较器LMV331SQ3T2G、第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，
所述USB-VCHR引脚连接第一二极管的阴极；第一二极管的阳极连接比较器的正向输入端，第一二极管的阳极还通过第一电阻与VIO18-PMU引脚连接；VIO18-PMU引脚通过第二电阻连接比较器的反向输入端；比较器的反向输入端通过第三电阻连接接地；同时，比较器的GND端接地，比较器的Vcc端与VIO18-PMU引脚连接；VIO18-PMU引脚还通过第四电阻与比较器的输出端相连，比较器的输出端与HP-DET-INT13引脚相连。
优选的，所述的VBUS检测电路模块的设备检测功能由三极管实现，该模块的电路包括USB-VCHR引脚、VIO18-PMU引脚、HP-DET-INT13引脚、三极管2PC4617、第二二极管、第三二极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻，
所述USB-VCHR引脚连接第二二极管的阴极；第二二极管的阳极还通过第五电阻与VIO18-PMU引脚相连，第二二极管的阳极与第三二极管的阳极相连；第三二极管的阴极通过第六电阻与三极管的基极相连；三极管的集电极通过第七电阻与VIO18-PMU引脚相连，同时还直接与HP-DET-INT13引脚相连；三极管的发射极接地。
优选的，所述的Switch Circuit交换电路开关模块包括SN74LVC1G3157单刀双掷模拟开关芯片，实现ID/MIC通道的开关切换功能。
优选的，所述的电路设计还包括CPU控制模块，该CPU控制模块与VBUS检测电路模块相连，接收VBUS检测电路模块的中断信号检测结果；上述CPU控制模块还与Switch Circuit交换电路开关模块相连，提供MIC/ID通道切换的控制方案。
优选的，所述的电路设计还提供了一种配合VBUS检测电路模块的设备检测的耳机转接板，其中所述的耳机转接板的S_R引脚连接Micro USB接口模块DM引脚，耳机转接板的S_L引脚连接Micro USB接口模块DN引脚，耳机转接板的ID引脚连接Micro USB接口模块MIC引脚，耳机转接板的S_L引脚连接Micro USB接口模块DN引脚，耳机转接板的GND引脚连接Micro USB接口模块的VBUS引脚与GND引脚。
优选的，所述的电路设计还包括扩展通道接口，该扩展通道接口分别与Switch Circuit交换电路开关模块和MIC/ID切换开关模块的ID通道相连，用以扩展其他外部设备接口。
优选的，所述的充电电路模块包括Charger IC充电集成电路模块和Battery电池模块。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明提出了一种VBUS检测电路的设计，实现USB/OTG/充电等设备与耳机设备之间的检测问题。
2、然后还提出了一种MIC/ID开关控制电路的设计，通过VBUS检测电路的中断信号检测结果，提供了硬件控制和软件cpu控制两套可选的MIC/ID通道切换控制的技术方案，使得实现方式更加灵活可选。
3、同时，MIC/ID开关控制电路的设计还解决ID信号作为MIC的复用问题，有效避免了VBUS复用MIC信号时存在负压防护以及MIC的隔离问题。
4、MIC/ID开关控制电路的设计同时还解决ID复用MIC时存在三段式耳机与OTG设备的兼容问题。
5、当VBUS检测电路检测到MIC设备时，该发明提出的电路设计还可以根据MIC信号的不同，通过设置判断门限来判断三段式或者四段式耳机
附图说明
图1是本发明实施例一的应用模块组成框图；
图2是本发明实施例一的耳机转接板引脚对应图；
图3是本发明实施例一的使用比较器的VBUS检测电路原理图；
图4是本发明实施例一的MIC/ID切换开关模块的电路原理图；
图5是本发明实施例二的应用模块组成框图；
图6是本发明实施例三的使用三极管的VBUS检测电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
本发明主要是解决在一些特殊产品设备需求无3.5mm耳机座设计时存在的问题，无3.5mm耳机设备主要是利用USB插座实现耳机的功能，然而在USB耳机复用时会存在一些诸如MIC信号如何设计的问题。
本方案主要是解决对于当前普遍基本需求的USB/OTG/充电/耳机等设备的设计问题，提出了一种VBUS检测电路的设计，利用VBUS引脚信号实现USB/OTG/充电等设备与耳机设备之间的检测问题，然后还提出了一种MIC/ID开关控制电路的设计，通过VBUS检测电路的中断信号检测结果，提供了硬件控制和软件cpu控制两套可选的MIC/ID开关控制电路的控制方案，解决了ID与MIC信号的复用问题。
一、定义复用的USB插座，通常USB的插座定义如下，比如mini USB、microUSB等。5pin USB的各个pin脚定义如下表：
目前在一些设计中为了提高充电的过流能力，相应的增加了VBUS和GND的引脚，比如7pin USB，也是符合该设计条件的。
7pin USB的各个pin脚定义如下表：
二、本发明实施例的应用模块组成框图，如图1所示。
该实例中基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，包括MircoUSB接口模块、Switch Circuit交换电路开关模块、充电电路模块、USB数据通道接口、AUDIO语音通道接口、VBUS检测电路模块、MIC/ID切换开关模块；
所述的Micro USB接口模块包括至少5个以上引脚，其中第一引脚对应VBUS引脚，分别与充电电路模块和Switch Circuit交换电路开关模块连接，第二、第三引脚对应DM引脚、DP引脚，通过Switch Circuit交换电路开关模块转接后分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口连接，第四引脚对应ID引脚，通过MIC/ID切换开关模块转接后也分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口连接，第五引脚对应GND引脚，该引脚接地。7个引脚规格的MicroUSB接口模块情形下，第一、第二引脚对应VBUS引脚、第三引脚对应DM引脚、第四引脚对应DP引脚、第五引脚对应ID引脚以及第六、第七引脚都对应GND引脚。
所述的VBUS检测电路模块，与充电电路模块相连，用于检测中断电平高低来区分判断USB/OTG/充电设备与耳机设备；该VBUS检测电路模块还分别与MIC/ID切换开关模块和Switch Circuit交换电路开关模块相连。
所述的MIC/ID切换开关模块，分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口相连，该模块通过上述VBUS检测电路模块的检测结果来切换Micro USB接口模块第四引脚与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口的导通。
本实施例主要解决的问题就是VBUS检测电路的设计以及MIC/ID开关控制电路的设计，通过VBUS检测电路模块的检测电路判断耳机设备的***，从而控制MIC/ID切换开关，如果是耳机，则打开MIC通道，第二DM引脚和第三DP引脚通过AUDIO语音通道接口的S_R右声道和S_L左声道连通进行相关部分通信；否则打开ID通道，第二DM引脚和第三DP引脚通过USB数据通道接口的D-和D+引脚连通进行相关电路通信，同时打开ID通道后需要再进一步判断USB或者OTG设备。
本实施例中，Switch Circuit交换电路开关模块和MIC/ID切换开关模块通过硬件方式控制开关切换，即通过VBUS检测电路模块检测中断来控制，通过中断信号的检测来发出不同的控制命令即可，同时硬件方式还需要针对切换开关的逻辑状态进行设计。
三、VBUS检测电路模块的电路原理说明
i.电路原理
Micro USB接口模块VBUS引脚在充电时是5v电源，NC(NC表示在没有5v电压的时候，通过利用高阻特性调整比较器参考电平，从而保证获得对应OTG中断信号)时是高阻状态，耳机由于无3.5mm耳机Jack，VBUS属于高阻或者接地状态，因此可以利用VBUS接入不同设备时的状态对设备进行识别。
对于充电/USB/OTG设备，由于VBUS引脚电平为5v电源，使得二极管截止，使得反相输入端电压高于同相输入端电压，从而保证比较器输出为低电平，则可以据此作为硬件控制信号，且此时检测电路中断为低电平，二者应用对应同一个切换通道，即D+/D-；对于耳机，由于VBUS引脚电平为低电平(此时，对应二极管导通，使得反相输入端电压低于同相输入端电压，从而保证比较器输出为高电平)，且检测中断为高电平，因此可以切换为Audio通道。
此实施例的该技术方案下，由于无3.5mm耳机Jack，需要将耳机转接板设计如图2所示，Micro USB接口模块VBUS引脚与GND引脚连通后与3.5mm Audio(耳机)Jack接口的GND引脚相连，Micro USB接口模块DM引脚与3.5mm Audio(耳机)Jack接口的S_R(右声道)引脚相连，DN引脚与S_L(左声道)引脚相连，ID引脚与MIC(麦克风)引脚相连。
ii.参考电路设计
通过比较器实现VBUS检测电路模块电路的功能，获得不同设备的状态，具体电路图如图3所示。图3中，VBUS检测电路模块电路的USB-VCHR引脚对应Micro USB接口模块的VBUS引脚，为输入/输出信号，就是USB的电源脚，OTG设备即为输出电源；VBUS检测电路模块电路的VIO18-PMU引脚即为一个参考电压，可以理解为输入信号，该电压可以根据OTG设备的阻抗状态调整，只要保证OTG设备的阻抗满足比较器输出为高电平的要求即可；VBUS检测电路模块电路的HP-DET-INT13引脚对应的信号即为检测中断信号，为输出信号，用来控制MIC/ID通道的切换以及Switch Circuit交换电路开关模块的控制信号，同时也作为实施例二中CPU控制模块的检测信号。图3中比较器原理：当同相端的电压高于反相端时，输出即为高电平，否则输出为低电平。
该实施例技术方案中，由于耳机转接板在***时，检测电路二极管会导通为低电平状态，此时根据比较器的设计会输出一个低电平中断，于是根据此状态来控制开关的逻辑状态达到MIC/ID切换开关模块和Switch Circuit交换电路开关模块切换成MIC通道进行相关通信；当Micro USB接口模块***为USB充电设备时，显然此时二极管是不导通的，于是比较器会输出一个高电平中断，从而MIC/ID通道切换为ID通道；巧妙地是，当Micro USB接口模块***为OTG设备时，由于VBUS未输出时为高阻状态，此时调整电路可以获得一个高电平从而MIC/ID开关也切换为ID通道，在ID读取为OTG后，则可以稳定的输出高电平。
四、MIC/ID切换开关模块的电路原理说明：
i.电路原理
通过VBUS检测电路模块中检测开关的输出电平来选择对应的切换通道。
ii.参考电路设计
如图4的MIC/ID切换开关模块的电路原理图所示，MIC/ID切换开关模块电路功能有Ti公司生产的SN74LVC1G3157芯片实现，该芯片有6个引脚，VCC引脚对应切换开关电源，S引脚为控制脚，高电平引脚B1，对应ID通道；低电平引脚B0对应MIC通道；A引脚是总的信号，B0/B1引脚是切换后的支路。该芯片需要根据对应的耳机设备检测电平来选择不同的切换通路，如果是USB/OTG设备，则此时会打开ID通道，若为音频则MIC通道。
本发明提出的一种基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，通过VBUS检测电路判断耳机设备的***，从而控制MIC/ID开关切换控制电路，如果是耳机，则打开MIC通道；否则打开ID通道，然后可以再进一步判断USB设备或者OTG设备。
其中，USB设备判断检测原理如下：VBUS引脚对应5v的设备，该电压是由比较器输出的高电平，此时则打开ID通道，由于USB设备的ID脚是悬空的(NC)，对应***ID检测端口检测到为高阻状态，所以就会判断为USB设备。
其中，OTG设备判断检测原理如下：OTG需要转接板来进行与耳机通信，转接板中ID脚是接地处理；在***没有检测到ID信号时，***VBUS脚既不会输出5V，外部输入也没有电压，此时对于OTG设备就是一种高阻状态，根据比较器的参考电压，此时由于高阻状态会使得比较器输出为高，这样ID通道会打开，进一步由于转接板中ID接地，所以***会根据该信号作为OTG设备的***标志，也就会输出5v电压，然后***和OTG设备按照USB协议做相同的处理了。
进一步，当打开MIC通道后还可以根据MIC通道信号的不同判断三段式或者四段式耳机。检测原理：通过MIC通道信号检测，对于三段式耳机由于MIC接地，因此对应电压很小；对于四段式耳机，由于MIC对地阻抗较大，因此可以根据这个来设置检测门限，低于电压门限即为三段式耳机，高于为四段式耳机。
实施例二
本实施例中，Switch Circuit交换电路开关模块和MIC/ID切换开关模块通过软件方式控制开关切换，该实施例下的应用模块组成框图还包括cpu控制模块，该模块通过接收VBUS检测电路模块检测中断电平，然后产生控制信号去到Switch Circuit交换电路开关模块和MIC/ID切换开关模块以解决MIC通道和ID通道切换的控制问题。此实施例下的具体应用模块组成框图如图5所示。
实施例三
本实施例中，通过三极管来实现VBUS检测电路模块电路的功能，获得不同设备的状态，具体电路图如图3所示。该电路与实施例一中VBUS检测电路模块电路的功能一致，电路原理不同，当Micro USB接口模块***为耳机转接板时，由于基极电压为低电平，三极管处于off状态，此时对应的输出电平为高电平；当Micro USB接口模块***为USB设备或者OTG设备或者充电时对应基极电压为高电平，此时三极管处于on状态，因此输出同时为低电平，因此可以通过这两种不同的状态来控制MIC/ID通道的切换以及Switch Circuit交换电路开关模块的控制信号，同时也作为实施例二中CPU控制模块的检测信号。
图6中，USB-VCHR引脚对应Micro USB接口模块VBUS引脚，为输入/输出信号，就是USB的电源脚，OTG设备即为输出电源；VIO18-PMU引脚即为一个参考电压，可以理解为输入信号，该电压可以根据OTG设备的阻抗状态调整，只要保证OTG设备的阻抗满足三极管集电极输出为高电平的要求即可；HP-DET-INT13引脚对应的信号即为检测中断信号，为输出信号，用来控制MIC/ID通道的切换以及Switch Circuit交换电路开关模块的控制信号，同时也作为实施例二中CPU控制模块的检测信号。
图6中三极管的工作原理为：当Micro USB接口模块***USB设备或者OTG设备或者充电时，由于基极电压较高，使得BJT处于饱和通道状态，从而中断信号为低电平；当Micro USB接口模块***耳机设备时，基极电压较低，BJT处于截止状态，因此中断信号输出为高电平。此处实施例三中的高、低电平需要根据三极管的饱和和截止的参数要求来调整阻值以及基极电压的大小。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，包括Mirco USB接口模块、充电电路模块、USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口，其特征在于，还包括VBUS检测电路模块、Switch Circuit交换电路开关模块、MIC/ID切换开关模块；
所述的Micro USB接口模块包括至少5个以上引脚，其中第一引脚对应VBUS引脚，分别与充电电路模块和Switch Circuit交换电路开关模块连接，第二、第三引脚对应DM引脚、DP引脚，通过Switch Circuit交换电路开关模块转接后分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口连接，第四引脚对应ID引脚，通过MIC/ID切换开关模块转接后也分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口连接，第五引脚对应GND引脚，该引脚接地；
所述的VBUS检测电路模块，与充电电路模块相连，用于检测中断电平高低来区分判断USB/OTG/充电设备与耳机设备；该VBUS检测电路模块还分别与MIC/ID切换开关模块和Switch Circuit交换电路开关模块相连；
所述的MIC/ID切换开关模块，分别与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口相连，该模块通过上述VBUS检测电路模块的检测结果来切换Micro USB接口模块第四引脚与USB数据通道接口和AUDIO语音通道接口的导通。
2.根据权利要求1所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于：所述的Micro USB接口模块包括5个引脚规格和7个引脚规格，其中7个引脚规格的Micro USB接口模块的第一、第二引脚对应VBUS引脚、第三引脚对应DM引脚、第四引脚对应DP引脚、第五引脚对应ID引脚以及第六、第七引脚都对应GND引脚。
3.根据权利要求1所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于：所述的VBUS检测电路模块的设备检测功能由TSOP5封装的比较器LMV331SQ3T2G实现，该模块的电路包括USB-VCHR引脚、VIO18-PMU引脚、HP-DET-INT13引脚、TSOP5封装的比较器LMV331SQ3T2G、第一二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻，
所述USB-VCHR引脚连接第一二极管的阴极；第一二极管的阳极连接比较器的正向输入端，第一二极管的阳极还通过第一电阻与VIO18-PMU引脚连接；VIO18-PMU引脚通过第二电阻连接比较器的反向输入端；比较器的反向输入端通过第三电阻连接接地；同时，比较器的GND端接地，比较器的Vcc端与VIO18-PMU引脚连接；VIO18-PMU引脚还通过第四电阻与比较器的输出端相连，比较器的输出端与HP-DET-INT13引脚相连。
4.根据权利要求1所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于：所述的VBUS检测电路模块的设备检测功能由三极管实现，该模块的电路包括USB-VCHR引脚、VIO18-PMU引脚、HP-DET-INT13引脚、三极管2PC4617、第二二极管、第三二极管、第五电阻、第六电阻、第七电阻，
所述USB-VCHR引脚连接第二二极管的阴极；第二二极管的阳极还通过第五电阻与VIO18-PMU引脚相连，第二二极管的阳极与第三二极管的阳极相连；第三二极管的阴极通过第六电阻与三极管的基极相连；三极管的集电极通过第七电阻与VIO18-PMU引脚相连，同时还直接与HP-DET-INT13引脚相连；三极管的发射极接地。
5.根据权利要求1所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于：所述的Switch Circuit交换电路开关模块包括SN74LVC1G3157单刀双掷模拟开关芯片，实现ID/MIC通道的开关切换功能。
6.根据权利要求1至5任一所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于：所述的电路设计还包括CPU控制模块，该CPU控制模块与VBUS检测电路模块相连，接收VBUS检测电路模块的中断信号检测结果；上述CPU控制模块还与Switch Circuit交换电路开关模块相连，提供MIC/ID通道切换的控制方案。
7.根据权利要求3或4所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于，所述的电路设计还提供了一种配合VBUS检测电路模块的设备检测的耳机转接板，其中所述的耳机转接板的S_R引脚连接MicroUSB接口模块DM引脚，耳机转接板的S_L引脚连接Micro USB接口模块DN引脚，耳机转接板的ID引脚连接Micro USB接口模块MIC引脚，耳机转接板的S_L引脚连接Micro USB接口模块DN引脚，耳机转接板的GND引脚连接MicroUSB接口模块的VBUS引脚与GND引脚。
8.根据权利要求1所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于：所述的电路设计还包括扩展通道接口，该扩展通道接口分别与Switch Circuit交换电路开关模块和MIC/ID切换开关模块的ID通道相连，用以扩展其他外部设备接口。
9.根据权利要求1所述的基于USB插座的耳机、充电和OTG设备的电路设计，其特征在于：所述的充电电路模块包括Charger IC充电集成电路模块和Battery电池模块。
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