CN216751189U - 钳位保护电路和车载电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于车辆MCU的钳位保护电路和车载电子设备。该钳位保护电路包括：输入端，其连接至电源开关；钳位保护端，其连接至车辆MCU的一个或多个引脚；电源端，其连接至外部钳位电源；第一功率管和第二功率管，其配置为分别基于所述电源开关的状态信号而选择性地接通或断开，以使所述钳位保护电路启动不同的钳位保护模式。根据本实用新型的钳位保护电路的优势在于：仅利用简单的功率管组合即可实现两种不同的钳位模式，所采用的电路元器件更少，成本更低；此外，该钳位保护电路可承受的电流较大，可拓展为多路I/O引脚保护电路。

Description

钳位保护电路和车载电子设备

技术领域

本实用新型涉及电路保护领域，更具体而言，本实用新型涉及一种钳位保护电路和车载电子设备，特别是用于车辆MCU的钳位保护电路以及包括该钳位保护电路的车载电子设备。

背景技术

MCU(Microcontroller Unit：微控制单元)是车载电子设备的核心部件，MCU通常包括多个输入/输出接口(也可称为“I/O引脚”或“I/O接口”)，用于连接至外部设备。

在正常情况下，MCU必须依赖从MCU电源获取的电能来维持其自身运行。然而，我们观察到，即使切断MCU电源，MCU也有可能并未真正关机，而是间断性发生自动重启或继续产生功耗。如图1中所示出的，当借助电源开关(其例如可以是车辆的钥匙开关)断开MCU电源时，由于MCU的I/O引脚连接至外部设备，因此外部设备的电力仍可经由I/O引脚流入至MCU内部的钳位二极管，进而流入MCU的内部电源，从而为MCU提供能量。在此情况下，MCU并未真正关机，而是在异常工作状态下继续产生功耗，例如，通过CAN/Ethernet/UART总线间断地发送数据，LED指示灯隐隐发亮等。

在这种异常工作模式下，存在许多风险。例如，当从I/O引脚流入MCU的电流过大时，MCU无法有效关断，这会导致车辆***无法进入低功耗模式；当从外部设备流入的电流超出I/O引脚的输入极限时，会直接烧毁MCU内部的钳位二极管等电子元器件，造成MCU的失效。此外，MCU在异常启动时通过总线发送的数据通常是错误的，这会进一步影响与MCU连接的外部设备的正常工作。

为了避免来自外部设备的输入信号对MCU的I/O引脚及其内部器件造成损坏，在传统的解决方案中，大多采用二极管上拉钳位电源的方式来实施钳位保护，然而这种方式无法在设备休眠时阻止外部设备的干扰信号经由I/O引脚流入MCU内部，因此无法解决MCU的异常启动问题。

在其他的常规解决方案中，考虑在每个I/O引脚上设置电子开关，从而在设备休眠时使外部电流无法流入MCU。然而，这种解决方案需要在每个I/O引脚上都设置单独的电子开关，这尤其在多引脚MCU的情况下会造成电路板体积过大、功耗过大，且成本较高。

实用新型内容

本实用新型提出了一种用于车辆MCU的钳位保护电路，其针对车载电子设备、特别是其MCU的不同工作状态(接通或切断外部电源)，能够以较少的电路元器件和较低的制造成本对MCU的I/O引脚执行不同的过电压钳位保护措施。

具体地，根据本实用新型的第一方面，提出了一种用于车辆MCU的钳位保护电路，所述钳位保护电路包括：

输入端，所述输入端连接至电源开关；

钳位保护端，所述钳位保护端连接至车辆MCU的一个或多个引脚；

电源端，所述电源端连接至外部钳位电源；

第一功率管和第二功率管，其中，所述第一功率管和所述第二功率管配置为分别基于所述电源开关的状态信号而选择性地接通或断开，以使所述钳位保护电路启动不同的钳位保护模式。

可选地，所述第一功率管和所述第二功率管分别包括三个端子，

其中，所述第一功率管的第一端子连接至所述输入端，所述第一功率管的第二端子连接至所述电源端，所述第一功率管的第三端子连接至所述钳位保护端，

其中，所述第二功率管的第一端子连接至所述输入端，所述第二功率管的第二端子接地，所述第二功率管的第三端子连接至所述钳位保护端。

可选地，所述钳位保护电路还包括二极管，所述二极管的阳极连接至所述钳位保护端，所述二极管的阴极连接至所述第一功率管和所述第二功率管的第三端子。

可选地，所述钳位保护电路还包括第一电阻，其连接在所述第一功率管的第一端子与所述第一功率管的第二端子之间。

可选地，所述钳位保护电路还包括第二电阻，其连接在所述第二功率管的第二端子与所述第二功率管的第三端子之间。

可选地，所述第一功率管为P沟道MOSFET。

可选地，所述第一功率管的第一端子为所述P沟道MOSFET的栅极，所述第一功率管的第二端子为所述P沟道MOSFET的源极，所述第一功率管的第三端子为所述P沟道MOSFET的漏极。

可选地，所述第二功率管为N沟道MOSFET。

可选地，所述第二功率管的第一端子为所述N沟道MOSFET的栅极，所述第二功率管的第二端子为所述N沟道MOSFET的源极，所述第二功率管的第三端子为所述N沟道MOSFET的漏极。

根据本实用新型的第二方面，提出了一种车载电子设备，该车载电子设备包括：MCU，其包括一个或多个引脚；信号检测电路，其配置为检测针对电源开关的开关控制信号并基于该开关控制信号输出所述电源开关的状态信号；以及如上所述的钳位保护电路。

根据本实用新型的钳位保护电路的优势在于：

-仅利用简单的功率管组合(以及可选地利用功率管、二极管以及电阻的组合)即可针对电源开关的高、低电压形成两种不同的钳位模式，相比于传统的解决方案，所采用的电路元器件更少，成本更低；

-由于采用MOSFET构成钳位电流回路，该钳位保护电路可承受的电流较大，因此可拓展为多路(可轻松拓展到近百路)I/O引脚保护电路，这尤其适合市面上普遍使用的多管脚ARM内核MCU；

-当设备处于休眠状态时，通过将钳位电源的参考电压设置为等于电源开关的信号检测电路的高电平电压，可以使该钳位保护电路几乎不从MCU内部电源汲取电流，对MCU内部电源无功耗要求。

附图说明

图1示出了在断开MCU电源的情况下MCU异常工作的电路示意图。

图2示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的用于车辆MCU的钳位保护电路的示意图。

图3示出了将根据本实用新型的钳位保护电路应用于车辆MCU的多个I/O引脚的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图并通过实施例来描述根据本实用新型的钳位保护电路。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解本实用新型。但是，对于所属技术领域内的技术人员明显的是，本实用新型的实现可不具有这些具体细节中的一些。相反，可以考虑用下面的特征和要素的任意组合来实施本实用新型，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的各个方面、特征、实施例和优点仅作说明之用而不应被看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

图2示出了根据本实用新型的一个示例性实施例的用于车辆MCU的钳位保护电路的示意图。该钳位保护电路设置在车载电子设备中，该车载电子设备包括具有一个或多个引脚(I/O接口)的MCU，该MCU经由电源开关连接至电源，该车载电子设备可借助信号检测电路来检测针对电源开关的开关控制信号并由此提供电源开关的状态信号。

具体而言，该钳位保护电路设置在车载电子设备的信号检测电路与MCU之间，其配置为基于由信号检测电路所提供的电源开关的状态信号启动不同的钳位保护模式，以为MCU的引脚提供不同的过压保护功能。

如图2中所示，根据本实施例的钳位保护电路包括输入端A、钳位保护端B以及电源端VCC_Clamp，其中输入端A连接至信号检测电路，用于接收电源开关的状态信号；钳位保护端B连接至车辆MCU的一个或多个引脚，用于为车辆MCU提供钳位保护；电源端VCC_Clamp连接至外部钳位电源，用于为该电路的钳位保护操作提供参考电势。

该钳位保护电路主要由第一功率管Q1和第二功率管Q2构成，这两个功率管分别可基于由信号检测电路所提供的电源开关的状态信号选择性地接通或断开，以使该钳位保护电路启动不同的钳位保护模式。

在示例性实施例中，第一功率管Q1形成为P沟道MOSFET，第二功率管Q2形成为N沟道MOSFET。

参见图2，第一功率管Q1的栅极连接至该钳位保护电路的输入端A，第一功率管Q1的源极连接至该钳位保护电路的电源端VCC_Clamp，第一功率管Q1的漏极连接至该钳位保护电路的钳位保护端B。

第二功率管Q2的栅极连接至该钳位保护电路的输入端A，第二功率管Q2的源极接地，第二功率管Q2的漏极连接至该钳位保护电路的钳位保护端B。

可选地，该钳位保护电路还可包括二极管D1，该二极管D1的阳极连接至钳位保护端B，该二极管D1的阴极连接至第一功率管Q1和所述第二功率管Q2的漏极。

该钳位保护电路还可包括一连接在第一功率管Q1的栅极与源极之间的第一电阻R1。

可选地，该钳位保护电路还可包括一连接在第二功率管Q2的源极与漏极之间的第二电阻R2。

下面参照图2来详细描述该钳位保护电路在电源开关的不同开关状态下的工作情况。

当信号检测电路基于开关控制信号而输出低电平时，电源开关接通(开关状态为“ON”)，MCU正常工作，此时钳位保护电路的输入端A接收到低电平信号，因此Q2断开，Q1导通。此时，钳位保护端B的电压Vb为钳位电源所提供的参考电压VCC_Clamp与二极管D1的导通电压Vd1之和，即，Vb＝VCC_Clamp+Vd1。

其中，钳位电源所提供的参考电压VCC_Clamp可根据MCU的相应I/O引脚的最大允许输入电压来确定。具体到实际应用中，例如，针对3.3V的I/O引脚，可设定VCC_Clamp+Vd1≤3.3V；针对5V I/O引脚，可设定VCC_Clamp+Vd1≤5V。

基于上述电路配置，如果外部设备向I/O引脚输入高电压干扰信号，则可启动对该钳位保护端B的过电压钳位保护。

当信号检测电路基于开关控制信号而输出高电平时，电源开关断开(开关状态为“OFF”)，MCU掉电，此时钳位保护电路的输入端A接收到高电平信号，因此Q1断开，Q2导通。此时，钳位保护端B的电压Vb为二极管D1的导通电压Vd1，即，Vb＝Vd1。

具体到实际应用中，假设二极管D1的导通电压为0.2V，则钳位保护端电压Vb被下拉到0.2V，从而阻止外部设备的电流经由MCU的I/O引脚流入MCU的内部电源，避免了MCU的异常启动。

根据一可选实施例，由于根据本实用新型的钳位保护电路采用MOSFET作为钳位电流回路，其可承受的电流较大，因此可拓展为多路(近百路)I/O口保护电路。如图3中所示，该拓展电路可以较低的成本和较高的安全系数对MCU的多个I/O引脚同时实施钳位保护措施，这尤其适合多管脚的ARM内核MCU。图3示意性地示出4路I/O口保护电路，但本发明并不限于此，而是如上面所描述地，可以拓展为多达近百路I/O口保护电路。

如参考图2和图3所描述的根据本实用新型的钳位保护电路，其在车载电子设备、特别是其MCU处于工作状态(接通外部电源)时，能够对MCU的I/O引脚进行过电压钳位保护，从而避免由于I/O引脚上的大电压干扰信号流入MCU内部而引起MCU的损坏；此外，在设备处于休眠状态(切断外部电源)时，该钳位保护电路也能够对MCU的I/O引脚进行接地保护，以避免车辆电气***中的其他外部设备所输出的高电平经由MCU的I/O引脚流入MCU内部，从而避免引起MCU的异常启动。

根据本实用新型的钳位保护电路的优势在于，仅利用简单的功率管组合(以及可选地利用功率管、二极管以及电阻的组合)即可针对电源开关的高、低电压形成两种不同的钳位模式，相比于传统的解决方案，所采用的电路元器件更少，成本更低。

此外，由于采用MOSFET作为钳位电流回路，该钳位保护电路可承受的电流较大，因此可拓展为多路(可轻松拓展到近百路)I/O引脚保护电路，这尤其适合市面上普遍使用的多管脚ARM内核MCU。

尤其是，当设备处于休眠状态时(Q2接通，Q1断开)，通过将钳位电源的参考电压VCC_Clamp设置为等于电源开关的信号检测电路的高电平电压，可以使该钳位保护电路几乎不从MCU内部电源汲取电流，对MCU内部电源无功耗要求。

对所提出的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。应当理解，以上实施例中所公开的特征，除了有特别说明的情形外，都可以单独地或者相结合地使用。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本文所公开的本实用新型并不局限于所公开的具体实施例，而是意在涵盖如所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围之内的修改。

Claims (10)

1.一种用于车辆MCU的钳位保护电路，其特征在于，所述钳位保护电路包括：

输入端(A)，所述输入端(A)连接至电源开关；

钳位保护端(B)，所述钳位保护端(B)连接至车辆MCU的一个或多个引脚；

电源端(VCC_Clamp)，所述电源端(VCC_Clamp)连接至外部钳位电源；以及

第一功率管(Q1)和第二功率管(Q2)，其中，所述第一功率管(Q1)和所述第二功率管(Q2)配置为分别基于所述电源开关的状态信号而选择性地接通或断开，以使所述钳位保护电路启动不同的钳位保护模式。

2.根据权利要求1所述的钳位保护电路，其特征在于，所述第一功率管和所述第二功率管分别包括三个端子，

其中，所述第一功率管的第一端子连接至所述输入端(A)，所述第一功率管的第二端子连接至所述电源端(VCC_Clamp)，所述第一功率管的第三端子连接至所述钳位保护端(B)，

其中，所述第二功率管的第一端子连接至所述输入端(A)，所述第二功率管的第二端子接地，所述第二功率管的第三端子连接至所述钳位保护端(B)。

3.根据权利要求2所述的钳位保护电路，其特征在于，所述钳位保护电路还包括二极管(D1)，所述二极管的阳极连接至所述钳位保护端(B)，所述二极管的阴极连接至所述第一功率管和所述第二功率管的第三端子。

4.根据权利要求2或3所述的钳位保护电路，其特征在于，所述钳位保护电路还包括第一电阻(R1)，其连接在所述第一功率管的第一端子与所述第一功率管的第二端子之间。

5.根据权利要求2或3所述的钳位保护电路，其特征在于，所述钳位保护电路还包括第二电阻(R2)，其连接在所述第二功率管的第二端子与所述第二功率管的第三端子之间。

6.根据权利要求2或3所述的钳位保护电路，其特征在于，所述第一功率管为P沟道MOSFET。

7.根据权利要求6所述的钳位保护电路，其特征在于，所述第一功率管的第一端子为所述P沟道MOSFET的栅极，所述第一功率管的第二端子为所述P沟道MOSFET的源极，所述第一功率管的第三端子为所述P沟道MOSFET的漏极。

8.根据权利要求2或3所述的钳位保护电路，其特征在于，所述第二功率管为N沟道MOSFET。

9.根据权利要求8所述的钳位保护电路，其特征在于，所述第二功率管的第一端子为所述N沟道MOSFET的栅极，所述第二功率管的第二端子为所述N沟道MOSFET的源极，所述第二功率管的第三端子为所述N沟道MOSFET的漏极。

10.一种车载电子设备，其特征在于，该车载电子设备包括：

MCU，其包括一个或多个引脚；

信号检测电路，其配置为检测针对电源开关的开关控制信号并基于该开关控制信号输出所述电源开关的状态信号；以及

根据权利要求1至9中任一项所述的钳位保护电路。

Images