CN110690691A - 一种设备接口保护电路 - Google Patents

Abstract

一种设备接口保护电路，包括连接到设备接口的VBUS端口和电源正极之间的第一电感模块，连接到所述设备接口的GND端口和电源地之间的第二电感模块，连接到所述VBUS端口、所述GND端口和保护地之间的气体放电模块，连接到所述设备接口的信号线端口、所述电源正极和所述电源地之间以启动所述气体放电模块的气体放电启动模块，以及设置在保护地和所述电源地之间的泄放模块。实施本发明的设备接口保护电路，通过分别构建共模防护通路和差模防护通路，可以顺利实现设备接口的共模和差模保护，从而解决浪涌和静电保护问题，并且保护等级高，钳位电压低，可靠性好。

Description

一种设备接口保护电路

技术领域

本发明涉及设备，更具体地说，涉及一种设备接口保护电路。

背景技术

目前，设备接口，例如USB接口已经在消费电子产品、通信设备和工业设备中广泛使用。通过USB接口，主机和外部设备实现数据传输。根据USB规范，USB接口电缆可以长达5米，如果主机USB接口和外设USB接口之间存在共模电压(较典型的是浪涌电压)，就会通过USB电缆传导，进而损坏USB主机或USB外设。另外，当USB接口耦合了静电放电(ESD,Electro-Staticdischarge)能量时，同样会损坏USB主机及USB外设。

因此，需要一种能够实现设备接口的共模和差模保护的设备接口保护电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能够实现设备接口的共模和差模保护的设备接口保护电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种设备接口保护电路，包括连接到设备接口的VBUS端口和电源正极之间的第一电感模块，连接到所述设备接口的GND端口和电源地之间的第二电感模块，连接到所述VBUS端口、所述GND端口和保护地之间的气体放电模块，连接到所述设备接口的信号线端口、所述电源正极和所述电源地之间以启动所述气体放电模块的气体放电启动模块，以及设置在保护地和所述电源地之间的泄放模块。

在本发明所述的设备接口保护电路中，所述第一电感模块和所述第二电感模块分别包括第一电感和第二电感。

在本发明所述的设备接口保护电路中，所述气体放电模块包括分别连接所述VBUS端口、所述GND端口和所述保护地的至少一个三端气体放电管，或分别连接所述VBUS端口和所述保护地、所述GND端口和所述保护地的两个串联的两端气体放电管。

在本发明所述的设备接口保护电路中，所述气体放电启动模块进一步包括TVS管以及由二极管组成的桥式电路，所述TVS管连接于所述桥式电路的两个平衡连接点之间，所述桥式电路的另两个平衡点分别连接所述设备接口的两个信号线端口。

在本发明所述的设备接口保护电路中，所述桥式电路的所述两个平衡连接点分别进一步连接所述电源正极和所述电源地。

在本发明所述的设备接口保护电路中，所述桥式电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的阳极连接所述桥式电路的第一平衡点，所述第一平衡点连接所述第二二极管的阴极和所述设备接口的第一信号线端口，所述第一二极管的阴极连接所述桥式电路的第二平衡点，所述第二平衡点连接所述电源正极、所述TVS管的第一端、所述第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接所述桥式电路的第三平衡点，所述第三平衡点连接所述第四二极管的阴极和所述设备接口的第二信号线端口，所述第四二极管的阳极连接所述桥式电路的第四平衡点，所述第四平衡点连接所述TVS管的第二端、所述第二二极管的阳极以及所述电源地。

在本发明所述的设备接口保护电路中，所述泄放模块包括设置在保护地和所述电源地之间的电容单元或气体放电单元。

在本发明所述的设备接口保护电路中，所述电容单元包括至少一个电容或者至少两个并联电容；所述气体放电单元包括至少一个两端气体放电管或至少两个并联的两端气体放电管。

在本发明所述的设备接口保护电路中，进一步包括设置在所述设备接口的信号线端口上的共模电感，所述共模电感设置在所述桥式电路之前或者之后。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种设备接口保护电路，包括连接到设备接口的VBUS端口和电源正极之间的第一电感，连接到所述设备接口的GND端口和电源地之间的第二电感，连接到所述VBUS端口、所述GND端口和保护地之间的气体放电模块，连接到所述设备接口的信号线端口、所述电源正极和所述电源地之间以启动所述气体放电模块的气体放电启动模块，以及设置在保护地和所述电源地之间的泄放模块；所述气体放电模块包括分别连接所述VBUS端口、所述GND端口和所述保护地的至少一个三端气体放电管，或分别连接所述VBUS端口、所述GND端口和所述保护地的两个串联的两端气体放电管；所述气体放电启动模块进一步包括TVS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极和所述设备接口的第一信号线端口，所述第一二极管的阴极连接所述电源正极、所述TVS管的第一端、所述第三二极管的阴极，所述第三三极管的阳极连接所述第四二极管的阴极和所述设备接口的第二信号线端口，所述第四二极管的阳极连接所述TVS管的第二端、所述第二二极管的阳极以及所述电源地；所述泄放模块包括设置在保护地和所述电源地之间的电容单元或气体放电单元；所述电容单元包括至少一个电容，所述气体放电单元包括至少一个两端气体放电管。

实施本发明的设备接口保护电路，通过分别构建共模防护通路和差模防护通路，可以顺利实现设备接口的共模和差模保护，从而解决浪涌和静电保护问题，并且保护等级高，钳位电压低，可靠性好。进一步地，通过设置共模电感，可以进一步限制信号线端口上的浪涌电流。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的设备接口保护电路的第一实施例的原理框图；

图2是本发明的设备接口保护电路的第二实施例的电路图；

图3是采用图2所示的设备接口保护电路后设备接口的第一和第二信号端口上的残压波形图；

图4是本发明的设备接口保护电路的第三实施例的电路图；

图5是本发明的设备接口保护电路的第四实施例的电路图；

图6是本发明的设备接口保护电路的第五实施例的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种设备接口保护电路，包括连接到设备接口的VBUS端口和电源正极之间的第一电感模块，连接到所述设备接口的GND端口和电源地之间的第二电感模块，连接到所述VBUS端口、所述GND端口和保护地之间的气体放电模块，连接到所述设备接口的信号线端口、所述电源正极和所述电源地之间以启动所述气体放电模块的气体放电启动模块，以及设置在保护地和所述电源地之间的泄放模块。采用本发明的设备接口保护电路，能够实现设备接口的共模和差模保护。

图1是本发明的设备接口保护电路的第一实施例的原理框图。如图1所示，设备接口保护电路，包括连接到设备接口的VBUS端口和电源正极V5v之间的第一电感模块10，连接到所述设备接口的GND端口和电源地GND_5v之间的第二电感模块20，连接到所述VBUS端口、所述GND端口和保护地PE之间的气体放电模块30，连接到所述设备接口的信号线端口D+和D-、所述电源正极V5v和所述电源地GND_5v之间以启动所述气体放电模块30的气体放电启动模块40，以及设置在保护地PE和所述电源地GND_5v之间的泄放模块50。

在本发明的优选实施例中，所述第一电感模块10和第二电感模块20可以包括至少一个电感，或者是多个串联电感。进一步地，所述气体放电模块30可以包括分别连接所述VBUS端口、所述GND端口和所述保护地PE的至少一个三端气体放电管，或分别连接所述VBUS端口和所述保护地PE、所述GND端口和所述保护地PE的两个串联的两端气体放电管。所述泄放模块50可以包括设置在保护地PE和所述电源地GND_5v之间的至少一个电容单元或气体放电单元。每个电容单元可以包括至少一个电容或者至少两个并联电容。每个气体放电单元包括至少一个两端气体放电管或至少两个并联的两端气体放电管。

在本发明的另一优选实施例中，所述气体放电启动模块40进一步包括TVS管以及由二极管组成的桥式电路，所述TVS管连接于所述桥式电路的两个平衡连接点之间，所述桥式电路的另两个平衡点分别连接所述设备接口的两个信号线端口D+和D-。所述桥式电路的所述两个平衡连接点分别进一步连接所述电源正极V5v和所述电源地GND_5v。当然，在本发明的另一优选实施例中，所述电源正极V5v可以不连接任何平衡点，即只有一个平衡点与所述电源地GND_5v连接。本领域技术人员知悉，所述桥式电路可以有四个二极管构成，也可以由其他数量的二极管，比如八个，十六个等等二极管组成，只要其能够构成桥式电路即可。

实施本发明的设备接口保护电路，通过分别构建共模防护通路和差模防护通路，可以顺利实现设备接口的共模和差模保护，从而解决浪涌和静电保护问题，并且保护等级高，钳位电压低，可靠性好。

图2是本发明的设备接口保护电路的第二实施例的电路图。如图2所示，本发明的设备接口保护电路包括第一电感L1、第二电感L2、三端气体放电管G1、电容C1以及二极管D1、D2、D4、D5构成的桥式电路，以及TVS管D3。

如图2所示，所述二极管D1的阳极和所述二极管D2的阴极的连接点为桥式电路的第一平衡点，所述二极管D1的阴极和所述二极管D5的阴极的连接点为桥式电路的第二平衡点，所述二极管D5的阳极和所述二极管D4的阴极的连接点为桥式电路的第三平衡点，所述二极管D4的阳极和所述二极管D2的阳极的连接点为桥式电路的第四平衡点。如图2进一步所示，所述二极管D1的阳极连接所述桥式电路的第一平衡点，所述第一平衡点还连接所述二极管D2的阴极和所述设备接口的第一信号线端口D+，所述二极管D1的阴极连接所述桥式电路的第二平衡点，所述第二平衡点连接所述电源正极V5v、所述TVS管D3的第一端和所述二极管D5的阴极。所述二极管D5的阳极连接所述桥式电路的第三平衡点，所述第三平衡点连接所述二极管D4的阴极和所述设备接口的第二信号线端口D-，所述二极管D4的阳极连接所述桥式电路的第四平衡点，所述第四平衡点连接所述TVS管D3的第二端、所述二极管D2的阳极以及所述电源地GND_5v。在本发明的另一个优选实施例中，所述TVS管D3可以只连接所述桥式电路的第二平衡点而所述第二平衡点并不连接所述电源正极V5v。在本发明的一个优选实施例中，二极管D1、D2、D4、D5以及TVS管D3可以是分立器件，也可以是集成器件。在本发明的一个优选实施例中，所述TVS管可以采用至少两个并联的TVS管替代，进而进一步对电压进行限制。

进一步如图2所示，第一电感L1连接到设备接口的VBUS端口和电源正极V5v之间，第一电感L2连接到所述设备接口的GND端口和电源地GND_5v之间。三端气体放电管G1的三个端口分别连接所述VBUS端口、所述GND端口和所述保护地PE。

进一步如图2所示，电容C1连接在保护地PE和所述电源地GND_5v之间。在本发明的一个优选实施例中，可以采用两端气体放电管G2替换电容C1，该实施例已经在图4中示出了。当然，在本发明的其他优选实施例中，可以采用多个电容并联或者多个两端气体放电管G2并联。

下面将结合图2对本发明的原理说明如下：

1、共模防护原理：

共模电压进入VBUS端口后，TVS管D3首先击穿，形成共模电流，通过电感L1→TVS管D3→电容C1泻放到保护地PE；随着电流的增大，电感L1两端的压降逐渐增大，直到电感L1→TVS管D3→电容C1的压降达到三端气体放电管G1的启动电压，三端气体放电管G1动作，大电流通过三端气体放电管G1泻放到保护地PE。

共模电压进入GND端口后，通过电感L2→电容C1泻放到保护地PE；随着电流的增大，电感L2两端的压降逐渐增大，直到电感L2→电容C1的压降达到三端气体放电管G1的启动电压，三端气体放电管G1动作，大电流通过三端气体放电管G1泻放到保护地PE。

共模电压进入第二信号线端口D-后，通过二极管D5→TVS管D3→电容C1或电容C1→二极管D4泻放到保护地PE；

共模电压进入第一信号线端口D+后，通过二极管D1→TVS管D3→电容C1或电容C1→二极管D2泻放到保护地PE。

这样，无论共模电压单独来自端口VBUS、GND、D-、D+，或其中两个以上，全部的共模路径都获得了泄放保护。

2、差模防护原理：

VBUS端口和GND端口之间的过压通过电感L1→TVS管D3→电感L2泻放，随着电流的增大，电感L1和电感L2两端的压降逐渐增大，电感L1→TVS管D3→电感L2的电压达到三端气体放电管G1的启动电压，三端气体放电管G1动作，大电流通过三端气体放电管G1泻放。

第一信号线端口D+和第二信号线端口D-之间的过压通过二极管D5→TVS管D3→二极管D2或二极管D1→TVS管D3→二极管D4泻放；

第二信号线端口D-和GND端口之间的过压通过二极管D5→TVS管D3或二极管D4泻放；

第一信号线端口D+和GND端口之间的过压通过二极管D1→TVS管D3或二极管D2泻放；

以上，全部的差模路径都获得了泄放保护。

依据IEC/EN 61000-4-5标准，同时对VBUS端口,GND端口,第一信号线端口D+和第二信号线端口D-注入共模2kV浪涌电压，获得第一信号线端口D+和第二信号线端口D-的残压波形如图3所示。

实施本发明的设备接口保护电路，通过分别构建共模防护通路和差模防护通路，可以顺利实现设备接口的共模和差模保护。进一步地，采用本发明的设备接口保护电路，依据IEC/EN 61000-4-5标准，同时对VBUS端口,GND端口,第一信号线端口D+和第二信号线端口D-注入浪涌电压，最高可以通过共模±2kV测试；依据IEC/EN 61000-4-2标准，对设备接口进行接触放电，最高可以通过接触放电±8kV测试。

实施本发明的设备接口保护电路，通过分别构建共模防护通路和差模防护通路，可以顺利实现设备接口的共模和差模保护，从而解决浪涌和静电保护问题，并且保护等级高，钳位电压低，可靠性好。

图5是本发明的设备接口保护电路的第四实施例的电路图。图6是本发明的设备接口保护电路的第五实施例的电路图。在图5-6所示实施例中，其与图2所示的实施例的区别仅在于，其增加了共模电感L3。如图5所示，共模电感L3可以设置在第一信号线端口D+和第二信号线端口D-上，且位于所述桥式电路之前更靠近设备接口的地方。进一步地，如图6所示共模电感L3可以设置在第一信号线端口D+和第二信号线端口D-上，且位于所述桥式电路之后更远离设备接口的地方。通过设置共模电感L3，可以进一步限制信号线端口上的浪涌电流，

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种设备接口保护电路，其特征在于，包括连接到设备接口的VBUS端口和电源正极之间的第一电感模块，连接到所述设备接口的GND端口和电源地之间的第二电感模块，连接到所述VBUS端口、所述GND端口和保护地之间的气体放电模块，连接到所述设备接口的信号线端口、所述电源正极和所述电源地之间以启动所述气体放电模块的气体放电启动模块，以及设置在所述保护地和所述电源地之间的泄放模块。

2.根据权利要求1所述的设备接口保护电路，其特征在于，所述第一电感模块和所述第二电感模块分别包括第一电感和第二电感。

3.根据权利要求1所述的设备接口保护电路，其特征在于，所述气体放电模块包括分别连接所述VBUS端口、所述GND端口和所述保护地的至少一个三端气体放电管，或分别连接所述VBUS端口和所述保护地、所述GND端口和所述保护地的两个串联的两端气体放电管。

4.根据权利要求1所述的设备接口保护电路，其特征在于，所述气体放电启动模块进一步包括TVS管以及由二极管组成的桥式电路，所述TVS管连接于所述桥式电路的两个平衡连接点之间，所述桥式电路的另两个平衡点分别连接所述设备接口的两个信号线端口。

5.根据权利要求4所述的设备接口保护电路，其特征在于，所述桥式电路的所述两个平衡连接点分别进一步连接所述电源正极和所述电源地。

6.根据权利要求5所述的设备接口保护电路，其特征在于，所述桥式电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的阳极连接所述桥式电路的第一平衡点，所述第一平衡点连接所述第二二极管的阴极和所述设备接口的第一信号线端口，所述第一二极管的阴极连接所述桥式电路的第二平衡点，所述第二平衡点连接所述电源正极、所述TVS管的第一端、所述第三二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接所述桥式电路的第三平衡点，所述第三平衡点连接所述第四二极管的阴极和所述设备接口的第二信号线端口，所述第四二极管的阳极连接所述桥式电路的第四平衡点，所述第四平衡点连接所述TVS管的第二端、所述第二二极管的阳极以及所述电源地。

7.根据权利要求1所述的设备接口保护电路，其特征在于，所述泄放模块包括设置在所述保护地和所述电源地之间的电容单元或气体放电单元。

8.根据权利要求7所述的设备接口保护电路，其特征在于，所述电容单元包括至少一个电容或者至少两个并联电容；所述气体放电单元包括至少一个两端气体放电管或至少两个并联的两端气体放电管。

9.根据权利要求2-8中任意一项权利要求所述的设备接口保护电路，其特征在于，进一步包括设置在所述设备接口的信号线端口上的共模电感，所述共模电感设置在所述桥式电路之前或者之后。

10.一种设备接口保护电路，其特征在于，包括连接到设备接口的VBUS端口和电源正极之间的第一电感，连接到所述设备接口的GND端口和电源地之间的第二电感，连接到所述VBUS端口、所述GND端口和保护地之间的气体放电模块，连接到所述设备接口的信号线端口、所述电源正极和所述电源地之间以启动所述气体放电模块的气体放电启动模块，以及设置在所述保护地和所述电源地之间的泄放模块；所述气体放电模块包括分别连接所述VBUS端口、所述GND端口和所述保护地的至少一个三端气体放电管，或分别连接所述VBUS端口和所述保护地、所述GND端口和所述保护地的两个串联的两端气体放电管；所述气体放电启动模块进一步包括TVS管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阴极和所述设备接口的第一信号线端口，所述第一二极管的阴极连接所述电源正极、所述TVS管的第一端、所述第三二极管的阴极，所述第三三极管的阳极连接所述第四二极管的阴极和所述设备接口的第二信号线端口，所述第四二极管的阳极连接所述TVS管的第二端、所述第二二极管的阳极以及所述电源地；所述泄放模块包括设置在所述保护地和所述电源地之间的电容单元或气体放电单元；所述电容单元包括至少一个电容，所述气体放电单元包括至少一个两端气体放电管。

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