CN107276037B - 车载usb电源接口保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种车载USB电源接口保护电路，该保护电路包括用于连接车载USB电源的电源输入端和用于连接用电设备的电源输出端、依次串联设置于电源输入端和电源输出端之间的第一电子开关和第二电子开关，以及开关钳位电路及延时电路，开关钳位电路的检测端和延时电路的输入端分别与电源输出端连接，开关钳位电路的控制端与第一电子开关的受控端连接；延时电路的输出端与第二电子开关的受控端连接；开关钳位电路在延时电路检测到电源输出端的电压达到车载USB电源的电压保护阈值而对第二电子开关的导通进行延时控制期间，钳制第一电子开关的关断。本发明解决了车载电池的电压经USB接口倒灌至而损坏车载USB电源中元器件的问题。

Description

车载USB电源接口保护电路
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种车载USB电源接口保护电路。
背景技术
在带有USB功能的汽车产品中，车载USB电源会通过USB端口给移动设备如手机、平板电脑等提供5V的充电电压，然而USB端口可能意外原因，例如电压在9V-16V范围内的汽车电池接触到USB接口，而使得接入USB接口高于车载USB电源电压保护阈值的电压，这个高压若通过USB接口倒灌至车载USB电源，将导致车载USB电源无法承受此高压而烧坏车载USB电源中的元器件。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种车载USB电源接口保护电路，旨在解决车载电池在接触到USB电源接口时，车载电池的电压经USB接口倒灌至而损坏车载USB电源中元器件的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种车载USB电源接口保护电路，所述车载USB电源接口保护电路包括用于连接车载USB电源的电源输入端和用于连接用电设备的电源输出端、依次串联设置于所述电源输入端和所述电源输出端之间的第一电子开关和第二电子开关，以及开关钳位电路及延时电路，所述开关钳位电路的检测端和所述延时电路的输入端分别与所述电源输出端连接，所述开关钳位电路的控制端与所述第一电子开关的受控端连接；所述延时电路的输出端与所述第二电子开关的受控端连接；其中，
所述第一电子开关和第二电子开关，用于在同时导通时，将所述车载USB电源输出至所述电源输出端，在其中之一关断时，切断所述车载USB电源输出至所述电源输出端；
在所述第一电子开关和第二电子开关均处于关断状态下，所述开关钳位电路，用于在所述延时电路检测到所述电源输出端的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值而对所述第二电子开关的导通进行延时控制期间，输出钳位信号钳制住所述第一电子开关的关断状态。
优选地，所述开关钳位电路包括第三电子开关、第一电阻、第二电阻、第一稳压管及第一电容，所述第三电子开关的输入端为所述所述开关钳位电路的检测端，所述第三电子开关的输出端为所述开关钳位电路的控制端，所述第三电子开关的受控端经所述第一电阻与所述稳压管的阴极连接，所述第一稳压管的阳极接地，所述第二电阻并联设置于所述第三电子开关的输入端与受控端之间，所述第一电容与所述第一稳压管并联设置。
优选地，所述第三电子开关为PNP型三极管，所述所述PNP型三极管的基极为所述驱动开关的受控端，所述PNP型三极管的发射极为所述驱动开关的输入端，所述PNP型三极管的集电极为所述驱动开关的输出端。
优选地，所述第一电子开关和/或第二电子开关为带有体二极管的P-MOS管，所述第一电子开关和所述第二电子开关的输入端对应所述P-MOS管的漏极，所述第一电子开关和所述第二电子开关的输出端对应所述P-MOS管的源极，所述第一电子开关和所述第二电子开关的受控端对应所述P-MOS管的栅极。
优选地，所述车载USB电源接口保护电路还包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻串联设置于所述第一电子开关的受控端与地之间，所述第四电阻串联设置于所述第一电子开关的输入端与地之间其中，
所述第四电阻的阻值远小于所述第一电子开关的内阻。
优选地，所述延时电路包括第五电阻和第二电容，所述第二电容的第一端为所述延时电路的输入端，所述第二电容的第二端为所述延时电路的输出端，并与所述第五电阻的第一端连接；所述第五电阻的第二端接地。
优选地，所述车载USB电源接口保护电路还包括用于释放所述电源输出端的能量的放电电路，所述放电电路的输入端与所述电源输出端连接，所述放电电路的输出。
优选地，所述放电电路包括第一二极管及第七电阻，所述第七电阻的第一端与所述第二电容的第一端连接，所述第一二极管的阴极与所述第二电容的第二端连接，所述第一二极管的阳极与所述第七电阻的第二端连接，并接地。
优选地，所述车载USB电源接口保护电路还包括第六电阻及第二稳压管，所述第六电阻串联设置于所述第二电子开关的输入端与地之间；所述第二稳压管的阴极与所述电源输入端连接，所述第二稳压管的阳极与所述第二电子开关的受控端连接；其中，
所述第六电阻的阻值远小于第二电子开关的内阻。
优选地，所述车载USB电源接口保护电路还包括第三电容、第四电容、第五电容及第六电容，所述第三电容和所述第四电容串联设置于所述电源输入端与地之间，所述第五电容和所述第六电容串联设置于所述电源输出端与地之间。
本发明车载USB电源接口保护电路通过设置开关钳位电路，并在开关钳位电路检测到所述电源输出端的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值时触发，并在所述延时电路控制所述第二电子开关延时导通的作用下，控制所述第一电子开关关断，从而控制所述电源输入端和所述电源输出端Vout断开电气连接，从而避免电源输出端的电压倒灌至电源输入端，从而将汽车电池输入的高电压脉冲与车载USB电源进行隔离，以保护车载USB电源，保证其能正常工作，从而解决了车载电池在接触到USB电源接口时，车载电池的电压经USB接口倒灌至而损坏车载USB电源中元器件的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明车载USB电源接口保护电路的功能模块示意图；
图2为图1中车载USB电源接口保护电路一实施例的电路结构示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
10 开关钳位电路 R1 第一电阻
20 延时电路 R2 第二电阻
30 放电电路 R3 第三电阻
Q1 第一电子开关 R4 第四电阻
Q2 第二电子开关 R5 第五电阻
Q3 第三电子开关 R6 第六电阻
C1 第一电容 R7 第七电阻
C2 第二电容 ZD1 第一稳压管
C3 第三电容 ZD2 第二稳压管
C4 第四电容 D1 第一二极管
C5 第五电容 Vout 电源输出端
C6 第六电容 Vin 电源输入端
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种车载USB电源接口保护电路。
参照图1及图2，在本发明一实施例中，所述车载USB电源接口保护电路包括用于连接车载USB电源的电源输入端Vin和用于连接用电设备的电源输出端Vout、依次串联设置于所述电源输入端Vin和所述电源输出端Vout之间的第一电子开关Q1和第二电子开关Q2，以及开关钳位电路10和延时电路。所述开关钳位电路10的检测端和延时电路20的输入端分别与所述电源输出端Vout连接，所述开关钳位电路10的控制端与所述第一电子开关Q1的受控端连接；所述延时电路20的输出端与所述第二电子开关Q2的受控端连接。
其中，所述第一电子开关Q1和第二电子开关Q2用于在导通时，控制所述电源输入端Vin和所述电源输出端Vout电气连接，以将所述车载USB电源的电源电压输出至所述电源输出端Vout。
本实施例中，所述第一电子开关Q1和/或第二电子开关Q2为带有体二极管的P-MOS管，所述第一电子开关Q1和所述第二电子开关Q2的输入端对应所述P-MOS管的漏极，所述第一电子开关Q1和所述第二电子开关Q2的输出端对应所述P-MOS管的源极，所述第一电子开关Q1和所述第二电子开关Q2的受控端对应所述P-MOS管的栅极。本实施例中，P-MOS管优选为AO3401型P-MOS管。体二极管用于防止在电源输出端Vout的电压大于电源输入端Vin输入的车载USB电源电压时，该高电压经体二极管倒灌至车载USB电源。
车载USB电源一般输出的电压为5V，以为用电设备，例如手机、平板电脑等移动电子设备提供电源电压，并在车载USB电源接口保护电路的第一电子开关Q1和第二电子开关Q2均导通，从而控制电源输入端Vin和电源输出端Vout电气连接时，通过USB端口对移动电子设备进行充电。
在所述第一电子开关Q1和第二电子开关Q2均处于关断状态下，所述开关钳位电路10，用于在所述延时电路20检测到所述电源输出端的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值而对所述第二电子开关Q2的导通进行延时控制期间，输出钳位信号钳制住所述第一电子开关Q1的关断状态。
其中，延时电路20在电源输出端的电压未达到所述车载USB电源的电压保护阈值时不工作，此时第二电子开关Q2正常导通，而在检测所述电源输出端的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值时，控制所述第二电子开关Q2延时导通。
开关钳位电路10用于在检测所述电源输出端Vout的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值时触发，并在所述延时电路20控制所述第二电子开关Q2延时导通期间，控制所述第一电子开关Q1关断，从而控制所述电源输入端Vin和所述电源输出端Vout断开电气连接。此时由于延时电路20的延时作用，开关钳位电路10会先于延时电路20的延时作用结束前，将第一电子开关Q1的受控端进行钳位，使得第一电子开关Q1无法导通，而处于关断状态。
具体地，当所述开关钳位电路10在检测所述电源输出端Vout的电压未达到所述车载USB电源的电压保护阈值时关闭，也即电源输出端Vout没有高电压倒灌时，此时开关钳位电路10和延时电路20均不工作，第一电子开关Q1和第二电子开关Q2导通，以控制电源输入端Vin和电源输出端Vout电气连接，车载USB电源接口保护电路正常输出车载USB电源电压，从而将电源输入端Vin接入的车载USB电源电压输出至电源输出端Vout连接的用电设备。
当开关钳位电路10在检测所述电源输出端Vout的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值时触发，同时延时电路20控制第二电子开关Q2延时导通，此时由于延时电路20的延时作用，开关钳位电路10会先于延时电路20的延时作用结束前，将第一电子开关Q1的受控端进行钳位，使得第一电子开关Q1无法导通，而处于关断状态，从而控制所述电源输入端Vin和所述电源输出端Vout断开电气连接，从而避免电源输出端Vout的电压倒灌至电源输入端，而烧毁车载USB电源。
本发明车载USB电源接口保护电路通过设置开关钳位电路10，并在开关钳位电路10检测到所述电源输出端Vout的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值时触发，并在所述延时电路20控制所述第二电子开关延时导通的作用下，控制所述第一电子开关Q1关断，从而控制所述电源输入端Vin和所述电源输出端Vout断开电气连接，从而避免电源输出端Vout的电压倒灌至电源输入端，从而将汽车电池输入的高电压脉冲与车载USB电源进行隔离，以保护车载USB电源，保证其能正常工作，从而解决了车载电池在接触到USB电源接口时，车载电池的电压经USB接口倒灌至而损坏车载USB电源中元器件的问题。
参照图1及图2，在一优选实施例中，所述开关钳位电路10包括第三电子开关Q3、第一电阻R1、第一电阻R2、第一稳压管ZD1及第一电容C1，所述第三电子开关Q3的输入端为所述所述开关钳位电路10的检测端，所述第三电子开关Q3的输出端为所述开关钳位电路10的控制端，所述第三电子开关Q3的受控端经所述第一电阻R1与所述稳压管的阴极连接，所述第一稳压管ZD1的阳极接地，所述第一电阻R2并联设置于所述第三电子开关Q3的输入端与受控端之间，所述第一电容C1与所述第一稳压管ZD1并联设置。
本实施例中，第一稳压管ZD1的稳压值优选为5.1V，使得第三电子开关Q3在5V的车载USB电源电压输出至电源输出端Vout时无法导通，而使第一电子开关Q1正常工作。第一电阻R2用于为第三电子开关Q3提供偏置电压，第一电阻R1为限流电阻，第一电容C1为滤波电容，用于滤除输入的电压中的杂波。当第三电子开关Q3的输入端接入的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值时，第三电子开关Q3开启，以将该电压输出至第一电子开关Q1的受控端，而将第一电子开关Q1受控端的电压拉高，从而控制第一电子开关Q1处于关断状态，进而控制电源输入端Vin和电源输出端Vout的电气断开连接。
上述实施例中，所述第三电子开关Q3为PNP型三极管，所述所述PNP型三极管的基极为所述驱动开关的受控端，所述PNP型三极管的发射极为所述驱动开关的输入端，所述PNP型三极管的集电极为所述驱动开关的输出端。
本实施例中，PNP型三极管由于延时电路20的作用，在汽车电池接触到电源输出端Vout而使电源输出端Vout的电压大于电源输入端Vin时，PNP型三极管要先于P-MOS管，也即第二电子开关Q2导通，而使第一电子开关Q1的栅极要先于源极输入倒灌电压值，PNP型三极管在导通后将栅极电压拉高而控制P-MOS管关断。
可以理解的是，PNP型三极管在导通时，其基极与发射极两端的压降约为0.7V，而第一电阻R2并联设置于基极与发射极两端，其压降和基极与发射极两端的压降一致，第一电阻R1的电压要略大于0.7V，且第一稳压管ZD1的稳压值为5.1V，PNP型三极管导通时电压约为5.1+0.7+0.7＝6.5V，因此，开关钳位电路10还可以避免车载USB电源接口保护电路正常输出电压时，由于电源波动等原因导致车载USB电源接口保护电误保护。
参照图1及图2，在一优选实施例中，所述车载USB电源接口保护电路还包括第三电阻R3和第四电阻R4，所述第三电阻R3串联设置于所述第一电子开关Q1的受控端与地之间，所述第四电阻R4串联设置于所述第一电子开关Q1的输入端与地之间。
本实施例中，第三电阻R3用于控制第一电子开关Q1导通，第四电阻R4用于释放第一电子开关Q1在第二电子开关Q2延时导通时，存储在第一电子开关Q1中的能量。
参照图1及图2，在一优选实施例中，所述延时电路20包括第五电阻R5和第二电容C2，所述第二电容C2的第一端为所述延时电路20的输入端，所述第二电容C2的第二端为所述延时电路20的输出端，并与所述第五电阻R5的第一端连接；所述第五电阻R5的第二端接地。
车载电池的电压范围一般在9-16V，这个电压要大于USB电源接口的5V车载USB电源，当车载USB电源接口保护电路的电源输出端Vout接入9-16V的高电压时，延时电路20中的第二电容C2在高电压接入时瞬间短路，而将第二电子开关Q2的受控端，也即P-MOS管的栅极电压拉高，而使P-MOS管无法导通，然后通过第五电阻R5进行充电，直至充满，从而控制P-MOS管延时导通，其延时时间T根据公式(1)计算可得：
T＝RC*ln(Vout-V0)/(Vout-Vth)；(1)
其中，R为第五电阻R5的阻值，C为并联设置于P-MOS管栅极和源极的第二电容C2的容量，V0为第二电容C2的两个电极之间的初始电压值，具体为0V，Vth为MOS管导通电压值，AO3401型P-MOS管一般1V，Vout为车载电池倒灌至电源输出端Vout的电压。若第五电阻R5的电阻值取1MΩ，第二电容C2的电容值取1uF，P-MOS管延时导通时间采用公式(1)计算可得，当电源输出端Vout接触的车载电池电压为9V时，P-MOS管延时时间为117ms；当电源输出端Vout接触的车载电池电压为16V时，P-MOS管延时时间为64ms。
参照图1及图2，在一优选实施例中，所述车载USB电源接口保护电路还包括第六电阻R6和第二稳压管ZD2，所述第二稳压管ZD2的阴极与所述电源输入端Vin连接，所述第二稳压管ZD2的阳极与所述第二电子开关Q2的受控端连接；所述第六电阻R6串联设置于所述第二电子开关Q2的输入端与地之间；其中，
所述第六电阻R6的阻值远小于第二电子开关Q2的内阻。
本实施例中，为了避免有较高电压输入时，该高压加到第二电子开关Q2的受控端，也即P-MOS管的栅极也要击穿绝缘层而损坏P-MOS管，在P-MOS管栅极与源极之间并联第二稳压管ZD2以限制栅极电压在稳压管稳压值以下，保护P-MOS管栅极不被击穿。第六电阻R6用于释放在第二电子开关Q2延时导通期间，存储在第二电子开关Q2中的能量。
参照图1及图2，在一优选实施例中，所述车载USB电源接口保护电路还包括用于释放所述电源输出端Vout的能量的放电电路30，所述放电电路30的输入端与所述电源输出端Vout连接，所述放电电路30的输出。
本实施例中，放电电路30用于将汽车电池接触电源输出端Vout并撤离后，与第二电子开关Q2管并联的第二电容C2中存储的电能释放掉。
上述实施例中，所述放电电路30包括第一二极管D1及第七电阻R7，所述第二电容C2的第一端与所述第七电阻R7的第一端，所述第二电容C2的第二端与所述第一二极管D1的阴极连接；所述第一二极管D1的阳极与所述第七电阻R7的第二端连接，并接地。
本实施例中，第一二极管D1和第七电阻R7用于与第二电容C2形成放电回路，以在电源输出端Vout没有电能输出时，释放第二电容C2中存储的能量。
参照图1及图2，在一优选实施例中，所述车载USB电源接口保护电路还包括第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及第六电容C6，所述第三电容C3和所述第四电容C4串联设置于所述电源输入端Vin与地之间，所述第五电容C5和所述第六电容C6串联设置于所述电源输出端Vout与地之间。
本实施例中，电容C3、C4分别串联设置于电源输入端Vin与地之间，以对输入的车载USB电源进行滤波，电容C5、C6分别串联设置于电源输出端Vout与地之间，以对电源输出端Vout的车载USB电源进行滤波后输出。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述车载USB电源接口保护电路包括用于连接车载USB电源的电源输入端和用于连接用电设备的电源输出端、依次串联设置于所述电源输入端和所述电源输出端之间的第一电子开关和第二电子开关，以及开关钳位电路及延时电路，所述开关钳位电路的检测端和所述延时电路的输入端分别与所述电源输出端连接，所述开关钳位电路的控制端与所述第一电子开关的受控端连接；所述延时电路的输出端与所述第二电子开关的受控端连接；其中，
所述第一电子开关和第二电子开关，用于在同时导通时，将所述车载USB电源输出至所述电源输出端，在其中之一关断时，切断所述车载USB电源输出至所述电源输出端；
在所述第一电子开关和第二电子开关均处于关断状态下，所述开关钳位电路，用于在所述延时电路检测到所述电源输出端的电压达到所述车载USB电源的电压保护阈值而对所述第二电子开关的导通进行延时控制期间，输出钳位信号钳制住所述第一电子开关的关断状态；
所述延时电路包括第五电阻和第二电容，所述第二电容的第一端为所述延时电路的输入端，所述第二电容的第二端为所述延时电路的输出端，并与所述第五电阻的第一端连接；所述第五电阻的第二端接地；
所述车载USB电源接口保护电路还包括用于释放所述电源输出端的能量的放电电路，所述放电电路的输入端与所述电源输出端连接，所述放电电路的输出端接地。
2.如权利要求1所述的车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述开关钳位电路包括第三电子开关、第一电阻、第二电阻、第一稳压管及第一电容，所述第三电子开关的输入端为所述开关钳位电路的检测端，所述第三电子开关的输出端为所述开关钳位电路的控制端，所述第三电子开关的受控端经所述第一电阻与所述稳压管的阴极连接，所述第一稳压管的阳极接地，所述第二电阻并联设置于所述第三电子开关的输入端与受控端之间，所述第一电容与所述第一稳压管并联设置。
3.如权利要求2所述的车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述第三电子开关为PNP型三极管，所述PNP型三极管的基极为所述第三电子开关的受控端，所述PNP型三极管的发射极为所述第三电子开关的输入端，所述PNP型三极管的集电极为所述第三电子开关的输出端。
4.如权利要求1所述的车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述第一电子开关和/或第二电子开关为带有体二极管的P-MOS管，所述第一电子开关和所述第二电子开关的输入端对应所述P-MOS管的漏极，所述第一电子开关和所述第二电子开关的输出端对应所述P-MOS管的源极，所述第一电子开关和所述第二电子开关的受控端对应所述P-MOS管的栅极。
5.如权利要求1所述的车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述车载USB电源接口保护电路还包括第三电阻和第四电阻，所述第三电阻串联设置于所述第一电子开关的受控端与地之间，所述第四电阻串联设置于所述第一电子开关的输入端与地之间；其中，
所述第四电阻的阻值小于所述第一电子开关的内阻。
6.如权利要求1所述的车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述放电电路包括第一二极管及第七电阻，所述第七电阻的第一端与所述第二电容的第一端连接，所述第一二极管的阴极与所述第二电容的第二端连接，所述第一二极管的阳极与所述第七电阻的第二端连接，并接地。
7.如权利要求1所述的车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述车载USB电源接口保护电路还包括第六电阻及第二稳压管，所述第六电阻串联设置于所述第二电子开关的输入端与地之间；所述第二稳压管的阴极与所述电源输入端连接，所述第二稳压管的阳极与所述第二电子开关的受控端连接；其中，
所述第六电阻的阻值小于第二电子开关的内阻。
8.如权利要求1至7任意一项所述的车载USB电源接口保护电路，其特征在于，所述车载USB电源接口保护电路还包括第三电容、第四电容、第五电容及第六电容，所述第三电容和所述第四电容串联设置于所述电源输入端与地之间，所述第五电容和所述第六电容串联设置于所述电源输出端与地之间。
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