Type‑C接口晶片CC管腳的高壓保護系統的製作方法

2023-05-23 07:25:01

本實用新型涉及緊急保護電路領域，尤其涉及Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統。

背景技術：

隨著設備小型化以及便攜設備的快速發展，數據接口的尺寸和數量逐漸成為制約設備尺寸的關鍵因素，因此對數據接口小型化的需求也愈發強烈。在該背景下，USB標準組織提出了新一代的Type-C接口標準以滿足日益增長的需求。除了減小了接口尺寸外，更加豐富了接口功能，包括對多信號通路以及高壓VBUS供電的支持。

圖1是USB標準組織提出的新一代Type-C接口晶片的示意圖。如圖1所示，由於Type-C接口本身的機械結構特點，CC1、CC2管腳緊鄰VBUS管腳，由於VBUS管腳可以傳輸高壓，因此用戶在使用Type-C接口的過程中，CC1、CC2管腳有可能與VBUS管腳發生短接現象，會出現燒毀Type-C接口晶片中與CC管腳通信的電路模塊，進而導致晶片失效。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，以既便捷、又低成本的方式實現當晶片埠輸入電壓過高時對晶片內部低壓模塊的保護。

為實現上述目的，本實用新型提供Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，包括：高壓保護裝置和高壓檢測裝置；

高壓檢測裝置，用於將接收的Type-C接口晶片CC管腳的輸入電壓與參考電壓進行比較，以及根據輸入電壓與參考電壓的比較，產生相應的控制信號；

高壓保護裝置，用於根據所述控制信號將Type-C接口晶片中與所述CC管腳通信的內部低壓模塊輸入端的電壓控制在安全範圍內。

所述高壓保護裝置包括第一開關。

所述高壓檢測裝置包括第一電壓比較器。

第一開關串聯在所述Type-C接口晶片的CC管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中；第一電壓比較器將所述輸入電壓與所述參考電壓進行比較，當所述輸入電壓高於所述參考電壓時，所述第一電壓比較器(AMP)產生並輸出第一控制信號。

第一開關並聯在所述Type-C接口晶片的CC管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中；第一電壓比較器將所述輸入電壓與所述參考電壓進行比較，當所述輸入電壓高於所述參考電壓時，所述第一電壓比較器產生並輸出第一控制信號邏輯相反的反相電壓。

所述第一開關選用Type-C接口晶片中的開關。

所述第一電壓比較器選用Type-C接口晶片中的電壓比較器。

所述參考電壓由Type-C接口晶片內部阻值分壓、MOS管閾值電壓、帶隙基準電路產生並提供，或者可以由晶片外部提供。

相應於上述提供的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統。本實用新型還提供一種採用NMOS管替換高壓保護裝置和高壓檢測裝置的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，包括第一NMOS管；所述第一NMOS管N1串聯在Type-C接口晶片的CC管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中；所述第一NMOS管接收Type-C接口晶片CC管腳的輸入電壓和參考電壓，當所述輸入電壓高於第一閾值時，所述第一NMOS管將Type-C接口晶片中與所述CC管腳通信的內部低壓模塊輸入端的電壓控制在安全範圍內。

所述第一閾值為當第一NMOS管柵源極電壓達到夾斷電壓時，所述輸入電壓的值。

所述參考電壓採用Type-C接口晶片的電源電壓。

採用本實用新型提供的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，由於Type-C接口晶片內的低壓模塊均通過相應的CC管腳接收信號，當CC管腳處的輸入電壓過大時，易造成Type-C接口晶片內的低壓模塊損壞甚至燒毀，進而導致晶片失效；

為實現以既便捷、又低成本地解決這一問題，本實用新型選用Type-C接口晶片內的開關作為第一開關串聯在所述Type-C接口晶片的CC管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中，同時通過選用Type-C接口晶片內第一電壓比較器，對CC管腳處的電壓進行檢測，並輸出第一控制信號，控制所述第一開關通斷，對Type-C接口晶片內低壓模塊的保護；此外，本實用新型還通過將第一開關並聯在Type-C接口晶片CC的管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中，通過第一電壓比較器輸出的與第一控制信號邏輯相反的反相信號，控制所述第一開關的通斷，實現另一種對Type-C接口晶片內低壓模塊的保護方式。

此外，同樣地，為實現更便捷、更低成本地解決Type-C接口晶片內低壓模塊易損壞甚至燒毀，進而導致晶片失效的問題，本實用新型提供的，由第一NMOS管根據Type-C接口晶片電源電壓實現的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，選用Type-C接口晶片內的NMOS管作為第一NMOS管，替換高壓保護裝置和高壓檢測裝置的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，對Type-C接口晶片內的低壓模塊進行保護；而且在Type-C接口晶片沒有供電的情況下，第一NMOS管還實現對內部低壓模塊的保護。

附圖說明

圖1是USB標準組織提出的新一代Type-C接口標準的示意圖；

圖2是本實用新型提供的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統的第一種具體實施方式的示意圖；

圖3是本實用新型提供的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統的第二種具體實施方式的示意圖；

圖4是本實用新型提供的Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統的第三種具體實施方式的示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。

本實施方式選擇USB Type-C接口晶片作為本系統的實施對象。

圖2是本實用新型提供的USB Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統的第一種具體實施方式的示意圖。

如圖2所示，本實施例提供的USB Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，包括高壓保護裝置101和用於產生控制信號Vtr的高壓檢測裝置102。

高壓保護裝置101採用開關S1來實現；開關S1串聯在CC管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中；內部低壓模塊為USB Type-C接口晶片中與CC管腳通信的電路模塊。

高壓檢測裝置102包括電壓比較器AMP；電壓比較器AMP的第一輸入端與CC管腳連接，用於接收CC管腳處的輸入電壓Vin；電壓比較器AMP的第二輸入端用於接收參考電壓Vref；電壓比較器AMP的輸出端用於向高壓保護裝置101輸出控制信號Vtr。

電壓比較器AMP將接收的輸入電壓Vin與參考電壓Vref進行比較時：

當CC管腳處的輸入電壓Vin高於參考電壓Vref時，電壓比較器AMP產生並輸出的控制信號Vtr為高電平，控制開關S1開路，隔斷CC管腳處的高壓，使內部低壓模塊輸入端的電壓為零，從而實現對USB Type-C接口晶片中的低壓模塊的保護；

當CC管腳處的輸入電壓Vin低於或等於參考電壓Vref時，電壓比較器AMP輸出的控制信號Vtr為低電平，控制開關S1導通，內部低壓模塊輸入端的電壓等於CC管腳處的輸入電壓Vin，CC管腳和內部低壓模塊正常通信。

本實施例中的開關S1和電壓比較器AMP均可採用USB Type-C接口晶片中的開關和電壓比較器，或者採用外部提供的開關和電壓比較器，但為使連接高壓保護電路更便捷，且降低設計成本，在本實施例中，開關S1優選USB Type-C接口晶片中的開關，電壓比較器AMP優選USB Type-C接口晶片內的遲滯電壓比較器；考慮到本實施例中選用的電壓比較器AMP為低壓器件，為了防止處於高壓狀態的輸入電壓Vin損壞電壓比較器AMP，在實際應用中可根據電壓比較器AMP安全閾值和跳轉電壓，通過串聯電阻對輸入電壓Vin進行分壓後，向電壓比較器AMP輸入相對安全且能使電壓比較器AMP正常工作的電壓。為了減小引入分壓電阻後所導致增加額外的到地電流對電壓比較器AMP的待檢信號通路造成影響，分壓電阻可採用足夠大的阻值以降低該影響。

此外，本實施例中的參考電壓Vref可以由但不限於USB Type-C接口晶片的內部阻值分壓、MOS管閾值電壓及帶隙基準電路產生，也可以由晶片外部提供。

此外，本實施例中的開關S1使能信號的極性和電壓比較器AMP對比較輸出的極性均可以同時取反。

圖3是本實用新型提供的USB Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統的第二種具體實施方式。

如圖3所示，基於圖2中USB Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，改變開關S1的接入方式，將開關S1並聯在CC管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中，具體為將開關S1的一端與CC管腳和低壓模塊的輸入端連接，另一端接地；此外，本實施例提供的USB Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統，還包括反相器D，反相器D與電壓比較器AMP的輸出端連接，用於將控制信號Vtr轉換成控制信號Vtr_b，並輸出控制開關S1的通斷；其中，控制信號Vtr_b為控制信號Vtr的邏輯反相信號；

當CC管腳處的輸入電壓Vin高於參考電壓Vref時，電壓比較器AMP產生並輸出的控制信號Vtr，經反相器D後，轉換為控制信號Vtr_b，此時控制信號Vtr_b為低電平，開關S1導通，CC管腳處的輸入電壓Vin被強制短接至地，使內部低壓模塊輸入端的電壓為零，從而實現對USB Type-C接口晶片中的低壓模塊的保護；

當CC管腳處的輸入電壓Vin低於或等於參考電壓Vref時，電壓比較器AMP產生並輸出的控制信號Vtr，經反相器D後，轉換為控制信號Vtr_b，此時控制信號Vtr_b為高電平，開關S1開路，此時，內部低壓模塊輸入端的電壓等於CC管腳處的輸入電壓Vin，CC管腳和內部低壓模塊正常通信。

本實施例中的反相器D可採用USB Type-C接口晶片中的反向器，或者採用外部提供的反向器，但為使連接高壓保護電路更便捷，且降低設計成本，在本實施例中，反向器D優選USB Type-C接口晶片中的反向器。

圖4是本實用新型提供的USB Type-C接口晶片CC管腳的高壓保護系統的第三種具體實施方式。

基於圖2所示的高壓保護系統，如圖4所示，根據NMOS管的開關特性，在本實施例中，採用NMOS管N1，並將NMOS管N1串聯在CC管腳和內部低壓模塊之間的信號通路中，進而替換圖2所示第一種實施方式中的高壓保護裝置101和高壓檢測裝置102，具體為，NMOS管N1的漏極連接USB Type-C接口晶片的CC管腳，NMOS管N1的源極內部低壓模塊的輸入端連接，NMOS管N1的柵極用於接收參考電壓Vref；

由於NMOS管N1的漏極電壓等於CC管腳的輸入電壓Vin，NMOS管N1的柵極電壓等於參考電壓Vref，NMOS管N1的源極電壓等於內部低壓模塊的輸入端電壓；由NMOS管的開關特性，隨著輸入電壓Vin的增大，NMOS管N1的源極電壓也會隨之增大，當NMOS管N1的柵源極電壓VGS達到NMOS管N1的夾斷電壓VGS(off)時，NMOS管N1漏極和源極之間的電流為零，隔斷CC管腳處的高壓，此時NMOS管N1的源極電壓等於：Vref-VGS(off)，即此時內部低壓模塊輸入端的電壓也等於：Vref-VGS(off)，其中，Vref為參考電壓Vref的值，VGS(off)為夾斷電壓VGS(off)的值；通過設置參考電壓Vref，即可將Vref-VGS(off)設定在內部低壓模塊的安全電壓範圍內；

當CC管腳處的輸入電壓Vin低於或等於參考電壓Vref時，NMOS管N1正常導通，USB Type-C接口晶片中與CC管腳通信的內部低壓模塊輸入端的電壓等於CC管腳處的輸入電壓Vin，USB Type-C接口晶片CC管腳處的信號正常傳遞至USB Type-C接口晶片的內部低壓模塊。

本實施例中的NMOS管N1為採用高壓工藝生產的、具備抗高壓特性的NMOS管；NMOS管N1可採用USB Type-C接口晶片中的NMOS管，或者採用外部提供的NMOS管，但為使連接高壓保護電路更便捷，且降低設計成本，在本實施例中，NMOS管N1優選USB Type-C接口晶片中的NMOS管；

此外，為了使設計高壓保護電路更便捷，降低設計成本，且在USB Type-C接口晶片沒有供電的情況下，實現對內部低壓模塊的保護，本實施例中的參考電壓Vref採用USB Type-C接口晶片的電源電壓VDD；由NMOS管的開關特性，當電源電壓VDD為零時(沒有供電)，若CC管腳的輸入電壓Vin的增大，則NMOS管N1的源極電壓也會隨之增大，當輸入電壓Vin的繼續增大時，NMOS管N1的柵源極電壓VGS很容易會達到NMOS管N1的夾斷電壓VGS(off)，使NMOS管N1漏極和源極之間的電流為零，隔斷CC管腳處的高壓，進而實現對內部低壓模塊的保護。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，並不用於限定本實用新型的保護範圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。