高集成度的双口可充电USB集线器的制作方法

高集成度的双口可充电usb集线器
技术领域
1.本实用新型涉及usb集线器技术。


背景技术：

2.车身电子产品usb集线器（usb hub）具有对客户的移动设备进行充电以及与车机进行通讯的功能。usb集线器一般安装在汽车内部中控下方或者扶手箱下面，二者都是属于密闭及狭小的空间。
3.随着大屏幕车机的推广及移动互联网的发展，移动设备与车机之间的互联需求日渐旺盛，单一的车载usb充电口（usb dcp）无法进行数据传输，将会被逐步淘汰。而目前大部分量产车型的车载usb数据接口（usb sdp）只具有最大1a左右的电流输出能力，面对智能手机越来越大的电池容量逐渐力不从心。有鉴于此，兼具大电流充电能力（≥1.5a）和数据传输能力的充电下行接口（usb cdp）会成为未来车型的标配。
4.图1示出了现有的双口可充电usb集线器（usb hub）的电路原理示意图。下面从电源、数据及温控三个方面介绍图1所示的技术方案。
5.电源：从电源连接器引入的电压vbat(dc 12v)经过输入保护、滤波电路的处理后成为整个pcb电路板供电的主电源vin。两路输出各自独立，各自分别通过一个dc
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dc转换器将12v电源转换为5v左右的vbus，随后通过各自的充电端口控制器来执行端口的过流保护、线损补偿，充电端口控制器的输出接type
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c协议控制器，用于实现端口输出及广播输出电流能力等功能。数据、温控部分所需要的3.3v电源轨由一颗ldo从其中一路5v中产生。
6.数据：现有的技术方案采用一颗usb hub芯片，通过一个上行口连接车机，两个下行口连接两个端口，可实现车机与移动设备之间的usb2.0双向数据通信。
7.温控：mcu通过采集外置ntc分压网络的电压，判断产品当前的温度，按照约定的策略进行降额或关断，以防止壳温超过限值。降额通过控制type
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c协议控制器的外部cc配置电阻实现，关断通过使能电路禁能充电端口控制器实现。
8.上述技术方案主要存在以下三个缺陷：
9.1、芯片及外围器件多。每个端口的vbus输出都需要各自一颗dc
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dc芯片、充电端口控制芯片及type
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c协议控制器芯片，导致芯片及相关外围器件数量多，成本较高；
10.2、vbus线路总阻抗高。由于每一路输出由1颗dc
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dc芯片，一颗充电端口控制器芯片构成，从电流角度看属于串联，其线路总阻抗是两芯片的导通电阻rdson及pcb走线的阻抗之和。在进行3a大电流充电时，这些器件发热严重，致使产品整体热性能表现不佳；
11.3、降额机制实现复杂。上述方案中，对输出电流的降额广播功能是由type
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c协议控制器完成的，但type
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c协议控制器本身并不具备温度传感功能，因此需要外接一个mcu及ntc电阻，通过mcu的模数转换器adc对ntc电阻上的电压进行采样后计算得到温度信息，再通过gpio改变type
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c协议控制器的电流模式（current mode）引脚电平实现，整个过程复杂，器件繁多，可靠性低成本高。


技术实现要素：

12.本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种高集成度的双口可充电usb集线器，其电路结构简单，成本低，发热量小。
13.本实用新型实施例的一种高集成度的双口可充电usb集线器，包括第一温度检测电路、双type
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c接口充电芯片、usb hub芯片、使能电路、第一type
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c接口和第二type
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c接口；第一温度检测电路的输出端与双type
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c接口充电芯片的温度采集输入脚连接，第一温度检测电路用于检测所述双type
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c接口充电芯片的周围环境温度；双type
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c接口充电芯片的第一电流输出脚和第二电流输出脚分别与第一type
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c接口和第二type
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c接口的vbus引脚连接；双type
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c接口充电芯片的第一cc1连接脚和第一cc2连接脚分别与第一type
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c接口的cc1引脚和cc2引脚连接，双type
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c接口充电芯片的第二cc1连接脚和第二cc2连接脚分别与第二type
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c接口的cc1引脚和cc2引脚连接；usb hub芯片的第一下行数据传输脚和第二下行数据传输脚分别与第一type
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c接口和第二type
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c接口的数据传输引脚连接；usb hub芯片的第一使能控制脚和第二控制脚分别与使能电路的第一输入端和第二输入端连接，使能电路的第一输出端和第二输出端分别与双type
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c接口充电芯片的第一电流输出使能脚和第二电流输出使能脚连接，使能电路用于在接收到从usb hub芯片的第一使能控制脚输出的第一使能控制信号时，向双type
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c接口充电芯片的第一电流输出使能脚输出第一使能信号，在接收到从usb hub芯片的第二使能控制脚输出的第二使能控制信号时，向双type
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c接口充电芯片的第二电流输出使能脚输出第二使能信号。
14.本实用新型的双口可充电usb集线器采用1颗双type
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c接口充电芯片取代了传统的2颗dc
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dc转换器芯片、2颗充电端口控制器芯片及2颗type
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c协议控制器芯片，取代的芯片共计6颗，至少具有以下优点：
15.1、大幅减少了芯片及附属外围器件的种类及数量，降低了bom(物料清单)成本，增加了布局灵活性；
16.2、由于芯片数量减少，降低了电源路径上的总导通阻抗，减少了大电流输出时的发热，产品的高温性能得以显著提升；
17.3、本实施例的双type
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c接口充电芯片可直接采集温度信息，不需要外接mcu来获得温度信息，简化了降额的实现机制，提升了产品的可靠性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1示出了现有的双口可充电usb集线器的电路原理示意图。
20.图2示出了根据本实用新型一实施例的高集成度的双口可充电usb集线器的电路原理示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本实用新型做出进一步说明。
22.图2示出了根据本实用新型一实施例的高集成度的双口可充电usb集线器的电路原理示意图。请参考图2，根据本实用新型一实施例的一种高集成度的双口可充电usb集线器包括双type
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c接口充电芯片1、usb hub芯片2、使能电路3、迟滞比较器4、电源连接器5、输入保护及滤波电路6、信号连接器7、第一温度检测电路81、第二温度检测电路82、第一type
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c接口91和第二type
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c接口92。
23.在本实施例中，双type
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c接口充电芯片1的型号为sn2008003，该芯片内置dc
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dc转换器，支持最大6.6a输出（也即每个口最大3.3a），此外还可额外提供5v 200ma用于驱动外围逻辑电路。该芯片集成有两个端口的线缆补偿、过流保护、type
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c协议处理功能。同时，芯片具有温度采集输入脚ts，可通过外接温度检测电路来实现智能降额。
24.电源连接器5的输入端用于连接电源，电源连接器5的输出端与输入保护及滤波电路6的输入端连接，输入保护及滤波电路6的输出端与双type
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c接口充电芯片1的电源输入脚in连接。从电源连接器5输出的12v电压vbat经过保护、滤波处理后接sn2008003芯片的in脚，该芯片内置的dc
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dc转换器将12v电压转换为指定的电压(由于线缆补偿功能，该电压会变化，约为5.17v)，具体的方法是通过芯片内部的同步降压电路将12v的vbat调制成对应脉宽的12v pwm脉冲电压vsw，pwm脉冲电压vsw从pwm信号输出脚sw脚输出，pwm信号输出脚sw与电感l1的一端连接，电感l1的另一端与双type
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c接口充电芯片1的整流输入脚sense连接。pwm脉冲电压vsw经过外部电感、电容整流滤波（图中未示出滤波电容）后形成5.17v左右的直流电平vsense，成为芯片输出的主电源轨。
25.第一温度检测电路81的输出端与双type
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c接口充电芯片1的温度采集输入脚ts连接，第一温度检测电路81用于检测所述双type
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c接口充电芯片的周围环境温度，其包括ntc热敏电阻rt1和分压电阻r9，ntc热敏电阻rt1的一端与双type
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c接口充电芯片的整流输入脚sense连接，ntc热敏电阻rt1的另一端与分压电阻r9串联后接地； ntc热敏电阻rt1与分压电阻r9的共接点与双type
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c接口充电芯片1的温度采集输入脚ts连接。
26.双type
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c接口充电芯片1的第一电流输出脚pa_out和第二电流输出脚pb_out分别与第一type
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c接口91和第二type
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c接口92的vbus引脚连接；双type
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c接口充电芯片1的第一cc1连接脚pa_cc1和第一cc2连接脚pa_cc2分别与第一type
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c接口的cc1引脚和cc2引脚连接，双type
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c接口充电芯片1的第二cc1连接脚pb_cc1和第二cc2连接脚pb_cc2分别与第二type
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c接口92的cc1引脚和cc2引脚连接。
27.usb hub芯片2的第一下行数据传输脚和第二下行数据传输脚分别与第一type
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c接口91和第二type
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c接口92的数据传输引脚连接，该连接方式与现有技术的连接方式一致，因此图中未标注出引脚符号。其中，第一下行数据传输脚和第二下行数据传输脚均为差分数据传输脚，差分数据传输脚由正、负两根数据传输脚组成，第一下行数据传输脚的正、负数据传输脚分别与第一type
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c接口91的d 、d
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引脚连接，第二下行数据传输脚的正、负数据传输脚分别与第二type
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c接口92的d 、d
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引脚连接。
28.usb hub芯片2的第一使能控制脚ptr_ctl1和第二控制脚ptr_ctl2分别与使能电路3的第一输入端和第二输入端连接，使能电路3的第一输出端和第二输出端分别与双type
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c接口充电芯片1的第一电流输出使能脚pa_en和第二电流输出使能脚pb_en连接，使能电路3用于在接收到从usb hub芯片2的第一使能控制脚ptr_ctl1输出的第一使能控制信号时，向双type
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c接口充电芯片1的第一电流输出使能脚pa_en输出第一使能信号，在接收
到从usb hub芯片2的第二使能控制脚ptr_ctl2输出的第二使能控制信号时，向双type
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c接口充电芯片1的第二电流输出使能脚pb_en输出第二使能信号。双type
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c接口充电芯片1接收到第一使能信号时，允许第一电流输出脚pa_out对第一type
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c接口91输出电流，以通过第一type
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c接口实现充电，双type
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c接口充电芯片1接收到第二使能信号时，允许第二电流输出脚pb_out对第二type
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c接口92输出电流，以通过第二type
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c接口实现充电。
29.在本实施例中，充电协议由sn2008003芯片及usb hub芯片协同完成，可以支持常见的type
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c rev 1.3、bc1.2、yd/t 1591
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2009模式。对于type
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c rev 1.3，是由sn2008003芯片内部的cc监视器（cc monitor）通过pa_ccx和pb_ccx（注：x代表1或2）引脚来监控对应端口的cc信号线电压状态，结合内部控制逻辑实现的。对于bc 1.2充电协议，是由usb hub芯片内部的dcp模块控制对应下行数据传输脚的电压来实现的。
30.在本实施例中，热降额功能（两个端口输出电流同时从3a降至1.5a）是由sn2008003芯片内部的温度比较器电路及外部的第一温度检测电路共同实现的。ntc热敏电阻rt1上拉到电压vsense，通过一个分压电阻r9接地，两者之间的分压vts接sn2008003芯片的温度采集输入脚ts，芯片的内部比较器比较vts与vsense的比例关系。选择合适大小的分压电阻r9使低温时vts远小于vsense，随着温度上升，ntc热敏电阻rt1的阻值下降，vts逐渐增大，当vts=1/2的vsense时，sn2008003芯片的内部比较器输出降额信号给cc监视器，由其控制两路对应的cc引脚电平，对外广播1.5a电流能力。sn2008003芯片的内部比较器有回差功能，当温度降低时，ntc热敏电阻rt1的阻值逐渐增大，vts逐渐减小，当vts减小到0.4倍的vsense时，sn2008003芯片的内部比较器输出恢复信号给cc监视器，由其控制两路对应的cc引脚电平，对外广播3a电流能力。
31.在本实施例中，主动热关断功能（在双口可充电usb集线器的壳体温度达到指定数值时，关断两路type
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c接口的输出）是由运放构成的迟滞比较器4、第二温度检测电路82及使能电路3共同完成的。第二温度检测电路82用于检测双口可充电usb集线器的壳体的温度。迟滞比较器4的第一输入端与第二温度检测电路82的输出端连接，迟滞比较器4的第二输入端连接参考电压vref，迟滞比较器4的输出端与使能电路3的第三输入端连接，迟滞比较器4用于在第二温度检测电路82输出的表示温度的电压超过了预设的表示温度阈值的阈值电压时输出一失能触发信号。使能电路3用于在接收到迟滞比较器4输出的失能触发信号时向双type
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c接口充电芯片1的第一电流输出使能脚pa_en和第二电流输出使能脚pb_en输出失能信号，以关断双type
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c接口充电芯片1的电流输出。
32.进一步地，本实施例的双口可充电usb集线器包括ldo稳压器10a和分压电路10b。ldo稳压器10的输入端与双type
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c接口充电芯片1的辅助负载输出脚out连接，ldo稳压器10的输出端分别与分压电路的输入端、迟滞比较器4的电源输入端和usb hub芯片2的电源输入端连接，以将来自双type
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c接口充电芯片1的输出电压(本实施例为5v电压)变换为分压电路、迟滞比较器4和usb hub芯片2的工作电压(本实施例为3.3v电压)；分压电路10b的输出端与迟滞比较器4的第二输入端连接，以向迟滞比较器4输出参考电压vref。
33.第二温度检测电路82由彼此串联的ntc热敏电阻rt2和分压电阻r10组成。ntc热敏电阻rt2布置于pcb边缘远离热源的位置（放置在这个位置是行业常规手段），与壳体温度具有相近的热学特性，能够建立pcb温度与壳体温度的良好对应关系。参考电压vref是由电阻分压得到的，其数值是根据pcb温度与壳体温度的对应关系预先测试、计算得到的。具体的
做法是在壳体上设置一个点温计测量点，用于测量壳体温度，在第二温度检测电路的输出节点上设置一电压测量点，持续测量该点电压。将产品在客户要求的工作范围内进行一个全温端运行试验，即可获得电压vsd关于环境温度ta的特性曲线。根据客户需求文件提供的关断温度要求值tsd查找上述特性曲线，获得tsd对应的电压vsd值，将该电压值作为vref值即可。这样，当壳体温度上升到tsd时，vsd值即可达到vref值，引发迟滞比较器输出改变。
34.工作时，随着壳体温度的升高，ntc热敏电阻rt2的阻值下降，电压vsd逐渐增大，当vsd大于上限电压阈值时，迟滞比较器4输出一个低电平的失能触发信号thermal_en到使能电路3，使能电路3执行的是逻辑与运算，因此其输出也是低电平，从而导致sn2008003芯片的第一电流输出使能脚pa_en和第二电流输出使能脚pb_en成为低电平，使得sn2008003芯片停止输出，实现了热关断功能。
35.在本实施例中，使能电路3由与门逻辑电路构成，可选地，使能电路3采用了型号为baw56，215的芯片。
36.本实用新型实施例使用迟滞比较器电路取代现有技术中的mcu实现热关断功能，不仅减少了软件工作量（包括开发、调试、版本维护等），还降低了产品的bom成本。
37.在其它的实施例中，双type
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c接口充电芯片1采用芯源系统有限公司（即monolithic power systems公司）生产的型号为mpq4488b的双type
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c接口充电芯片。
38.本实用新型的双口可充电usb集线器采用1颗双type
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c接口充电芯片取代了传统的2颗dc
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dc转换器芯片、2颗充电端口控制器芯片及2颗type
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c协议控制器芯片，大幅减少了芯片及附属外围器件的种类及数量，降低了bom成本，由于芯片数量减少，降低了电源路径上的总导通阻抗，减少了大电流输出时的发热，产品的高温性能得以显著提升。本实用新型的双口可充电usb集线器尤其适合作为车载的双口可充电usb集线器使用。
39.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。