本发明涉及接口电路，特别是涉及一种具有过电压保护电路的接口电路，用于防止接口电路由于过电应力受到损害。
背景技术
我们知道电子电路必须防止瞬态的电压和电流超过电路的容量。这些瞬态的电压和电流会对电路造成损害，并且引起运行错误。对于现代电子通信和控制系统，其固态微电子元件对过量电流和电流极为敏感，因此尤其需要防止过电应力干扰。
许多装置和方法都可防止有限的过电应力。就最基本的层面来说，电子设备通常可以使用接地线屏幕外壳(groundedwirescreenenclosures)来屏蔽电磁瞬态。然而，此类屏蔽不能防止电子设备的瞬态过电应力干扰，瞬态过电应力干扰可通过连接导线穿透进屏蔽电路中。
为了保护电路使其不受这些瞬态过应力干扰的影响，以及对电路中可能承受过电应力的关键部件提供进一步保护，本发明提出监测和防止过应力损害的方法和电路。
技术实现要素：
本发明提供一种电子装置的接口电路，其包括：引脚，用于与外部电路选择性地连接；内部电路；过电压保护电路，在所述内部电路和所述引脚之间耦接，用以防止所述内部电路受到所述引脚接收的电压尖峰或者电流冲击的损害；以及监测电路，用于监测所述内部电路或者所述过电压保护电路中的关键部件的电气特性相关的参数的值；其中，当所述参数的值在安全范围以外时，所述监测电路输出报警信号。
本发明通过接口电路中的监测电路来监测内部电路或过电压保护电路中的关键部件的电气特性相关的参数的值，可以在该参数的值在安全范围以外时，向用户输出报警信号。因此，本发明可以帮助保护接口电路，防止接口电路由于过电应力而受到损害。
在后续实施例中将以附图为参考，对本发明进行具体说明。
附图说明
在阅读了后续以附图为参考的具体说明和实施例后，本发明可以被更好的理解，其中：
图1示出了c型usb接口引脚设置的例子。
图2示出了当usb接头的vbus引脚错误地连接到相邻cc引脚的示例性情况。
图3示出了根据本发明一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。
图4示出了根据本发明第一方案一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。
图5示出了根据本发明第一方案的第一实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。
图6a示出了根据本发明第一方案的第二实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。
图6b和图6c示出了根据本发明一实施例的多功能电压检测器的示例性电路图。
图7示出了根据本发明第二方案的一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。
图8a示出了根据本发明第二方案的第一实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。
图8b示出了根据本发明一实施例的过电压检测电路的示例性电路图。
图9示出了根据本发明第二方案的第二实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。
图10示出了根据本发明第二方案的第三实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。
图11示出了根据本发明第二方案的第四实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。
图12示出了根据本发明第三方案的一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。
图13示出了根据本发明第三方案的一实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。
具体实施方式
后续的说明是本发明优选的实施方式。此说明仅以解释说明本发明的基本原理为目的，而不应被认为是对本发明的限制。本发明的范围应由所附权利要求决定。
过电应力(electricaloverstress，eos)问题近来成为了令人担忧的问题，特别是当它涉及到具有输入/输出接口或者i/o端口的电子设备、该电子设备通过输入/输出接口或者i/o端口可以同外部设备选择性连接。这种情况是因为近年来由外部接头或外部插头的一个或多个引脚提供的电压的增长，这种电压增长是为了提供更高级的功能。
例如，由外部接头或插头的一个或多个电源引脚提供的电压已极大地增加，用来提供快速充电功能。当试着将外部接头或外部插头连接到电子设备的内部i/o接口或者内部i/o端口时，可能会出现问题，用户可能错误地将提供高电压的外部接头或外部插头连接到电子设备错误的引脚。如果被错误地连接到供电引脚的引脚不能承受此高电压，与错误连接的引脚耦接的电路元件将因为瞬态过电应力而受到损害。
图1示出了c型usb(type-cusb)接口的引脚设置的例子。以c型usb接口为例，该usb接口包括引脚a1-a12和引脚b1-b12,其中引脚a1-a12和引脚b1-b12所标识的引脚如图1所示。usb接头的vbus引脚用于输入/输出大约12v的高电压。然而，当vbus引脚被错误的连接到相邻的引脚时，例如如图2所示的形式连接到cc引脚，那么与cc引脚耦接的电路元件就将因为瞬态过电应力受到损害，因为vbus引脚提供的高电压电平(例如，大约12v)已经超过了cc引脚的最大额定电压(例如，大约5v)。每个引脚的额定电压通常在相应电子产品的数据记录表和说明书中定义。如图2所示，图2示出供电源和usb接口电路，usb接口电路可以包括电源管理集成电路(powermanagementic，pmic)和处理器。pmic耦接usb接口的引脚cc和vbus，处理器耦接usb接口的引脚tx/rx，tx可以为图1中的tx1+，tx1-，rx可以为图1中的rx1+，rx1-。
为了解决此为题，新型电路设计被提供，用以防止电路受到此类瞬态过电应力干扰。
图3示出了根据本发明一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。在本发明的实施例中，电子设备可以是车载电子设备或者可携带电子设备，例如笔记本电脑、手机、可携带游戏机、可携带多媒体播放器、全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)、接收器或者其他设备。
接口电路300可包括一个或多个引脚(为简洁性考虑，以引脚301表示)，内部电路302，过电压保护电路303和监测电路304。引脚用于选择性地连接至外部电路。例如，当接口电路300是usb接口时，引脚用于选择性地连接至usb接头的相应引脚。内部电路302用于提供接口电路300的主接口功能。过电压保护电路303耦接于内部电路302和引脚301之间，用于控制预设节点n1处的电压，从而保护内部电路302，使其免受引脚301处接收到的电压尖峰值或电流冲击的损害。其中，过电压保护电路303通过预设节点n1与内部电路302连接。预设节点n1可位于过电压保护电路303内部，或者过电压保护电路303与内部电路302之间。
需要注意，在本发明的实施例中，过电压保护电路303和监测电路304可以用于可能与错误的引脚错误地连接或接触的一个引脚，此错误的引脚提供的电压高于连接的引脚的最大额定电压。然而，本发明并不仅限于此。过电压保护电路303和监测电路304也可以用于设计者希望保护的任意电路。
根据本发明的一实施例，过电压保护电路303控制预设节点n1处的电压，使其恰当地落在预设范围内，以此来防止内部电路302受到引脚301接收的外部的极高电压的损害。除了过电应力保护以外，在本发明的实施例中，监测电路304还可以为接口电路300中的关键部件提供进一步的保护。
根据本发明的一实施例，监测电路304用于监测过电压保护电路中至少一个关键部件(例如，关键部件305)或者内部电路中至少一个关键部件(例如，关键部件306)的一个或多个电气特性，并且判定该关键部件是否即将损坏。具体地，当电子元件持续承受高电压时，它的一些电气特性将会改变。通过监测电气特性或者电气特性的改变情况，监测电路304可以判定电子元件是否即将损坏。当监测电路304判定该关键部件即将损坏时，监测电路304可以产生报警信号，并通过输出引脚(例如输出引脚307)输出该报警信号。
当电子设备的处理器(图未示)接收到该报警信号时，处理器可通过电子设备的屏幕显示通知消息，或者通过电子设备的扬声器产生声音通知，从而通知用户，以建议用户携带电子设备至维修中心以对电子设备的内部电路元件进行进一步的检测。当需要时，维修中心可以对电子设备的电路元件进行维修或替换。这对避免由于电子元件损坏而产生的、不期望的运行错误十分有用。
根据本发明的一实施例，监测电路304可以通过检测与关键部件的电气特性相关的至少一个参数或因数的值，来监测关键部件的电气特性。当该参数或因数的检测值在安全范围外时，监测电路304输出报警信号。安全范围可以根据相应关键部件的电气特性的性质来灵活确定。
图4示出了根据本发明第一方案一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。接口电路400可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚401、内部电路402、过电压保护电路403和监测电路404。内部电路402用于提供接口电路400的主接口功能。过电压保护电路403在内部电路402和引脚401之间耦接，用于控制预设节点n1处的电压，从而保护内部电路402，使其免受引脚401处接收到的电压尖峰值或电流冲击的损害。
根据本发明的一实施例，过电压保护电路403可包括至少一个电阻器(例如，在至少一个引脚401和预设节点n1之间耦接的电阻器405)以及一个或多个串联的二极管。在此实施例中，关键部件是与预设节点n1耦接的电阻器405，并且监测电路404监测的关键部件的电气特性是电阻器405的电阻。
当电阻器持续承受高电压时，它的电阻将会增大，并且电阻器最终可能损坏。为了避免电子设备400和关键部件损坏，监测电路404监测电阻器405的电阻，并且在电阻器405损坏前通过输出引脚407输出报警信号。
根据本发明的一实施例，监测电路404可通过检测节点n1处的电压或者电阻器405两端间的电压差来监测电阻器405的电阻，该电压差是与电阻器405的电阻相关的重要参数或因数。例如，监测电路404监测预设节点n1处的电压或者电阻器405两端的电压差，并且将该电压或电压差与参考电压进行比较，以判定该电压或电压差是否在安全范围以外。当该电压或电压差被判定为在安全范围以外时，监测电路404通过输出引脚407输出报警信号。需要注意，安全范围可以根据待监测的相应电气特性来灵活确定，并且具有一定的余量，以使关键部件不会在该检测出的电压或电压差刚好位于安全范围以外时就损坏。
图5示出了根据本发明第一方案的第一实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。接口电路500可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚501、内部电路502、过电压保护电路503和监测电路504。内部电路502用于提供接口电路500的主接口功能。过电压保护电路503在内部电路502和引脚501之间耦接，用于控制预设节点n1处的电压，从而保护内部电路502，使其免受引脚501处接收到的电压尖峰值或电流冲击的损害。
在此实施例中，监测电路504可包括比较器508。比较器508可具有与预设节点n1耦接的第一输入端、接收参考电压的第二输入端以及与输出引脚507耦接的输出端。比较器508将预设节点n1处的电压与参考电压比较，以判定该电压是否在安全范围以外。例如，当该电压比参考电压低时，比较器508可以通过输出引脚507输出逻辑高电平信号作为报警信号以警告用户。
需要注意，现有技术中已有多种不同的比较器电路的设计。因此，为了简洁性考虑，比较器508的具体电路图在此不再赘述。
图6a示出了根据本发明第一方案的第二实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。接口电路600可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚601、内部电路602、过电压保护电路603和监测电路604。内部电路602用于提供接口电路600的主接口功能。过电压保护电路603在内部电路602和引脚601之间耦接，用于控制预设节点n1处的电压，从而保护内部电路602，使其免受引脚601处接收到的电压尖峰值或电流冲击的损害。
在此实施例中，关键部件是与预设节点n1耦接的一个或多个二极管(例如，二极管605)，并且监测电路604监测的关键部件的电气特性可以是二极管(例如，二极管605)的端间(cross-terminalvoltage)电压。
监测电路604可包括比较器608。比较器608将二极管的端间电压(或者一个或多个二极管的两端的电压差)与参考电压比较，以判定是否该端间电压(或电压差)在安全范围以外。例如，当端间电压(或电压差)比参考电压高时，比较器608可通过输出引脚607输出逻辑高电平信号作为报警信号以警告用户。
图6b示出了根据本发明一实施例的用于实现监测电路的多功能电压检测器的示例性电路图。多功能电压检测器618可以是监测电路604的一部分。多工器(multiplexer)mux可以是多功能电压源选择器，用于选择输入电压源。根据图6a所示的实施例，当需要电压差监测功能时，多工器mux可以输出电压差△v。在如图6a所示的实施例中，第一输入端in1可以与预设节点n1耦接，而第二输入端in2可以与节点n2耦接。图6b和图6c示出了多功能电压检测器进行电压采样过程的两个步骤。在步骤1中，如图6b所示，节点n1和n2之间的电压差△v被存储于电容c中。在步骤2中，如图6c所示，电压差△v被提供至多工器mux的一个端口。
当需要电压差检测功能时，多工器mux输出电压差△v至比较器620的输入端口。比较器620将多工器mux的输出(也就是电压差△v)与数模转换器(digitaltoanalogconverter，dac)的输出比较，并产生比较结果。通过这种方式，比较结果可以数字码的形式提供。电子设备的处理器(图未示)可以根据比较结果，判定端间电压(或者电压差△v)是否在安全范围以外。
需要注意，在如图6a所示的实施例中，监测电路604中的比较器608的功能可以通过如图6b和图6c所示的多功能电压检测器618配合电子设备的处理器来实现。
另一方面，当需要过电压检测功能时(例如，在如图7至图11所示的本发明第二方案的各实施例中需要该功能，后文中将对此进行详细描述)，多功能电压检测器618可以充当过电压检测器。另一个输入端焊垫pad可以同可能接收电压尖峰或电流冲击的i/o引脚(例如，如图8所示的引脚801)耦接。当多功能电压检测器618充当过电压检测器时，多工器mux可以将i/o引脚接收的电压输出至比较器620的输入端。比较器620将多工器mux的输出(也就是i/o引脚接收的电压)与数模转换器dac的输出进行比较，并且产生比较结果。通过这种方式，比较结果可以数字码的形式提供。处理器可以根据比较结果进一步判定i/o引脚接收的电压电平是否超过预定的阈值。
需要注意，在本发明的实施例中，开关和多工器mux的操作可以由处理器控制，并且可以适当地对数模转换器dac的输出进行设计。
图7示出了根据本发明第二方案的一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。接口电路700可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚701、内部电路702、过电压保护电路703和监测电路704。内部电路702用于提供接口电路700的主接口功能。过电压保护电路703在内部电路702和引脚701之间耦接，用于控制预设节点n1处的电压，从而保护内部电路702，使其免受引脚701处接收到的电压尖峰值或电流冲击的损害。
根据本发明的一实施例，过电压保护电路703可包括一个或多个晶体管(或者，在一些实施例中，至少一个电阻器以及一个或多个晶体管)。在此实施例中，关键部件是与预设节点n1耦接的晶体管705，并且监测电路704监测的关键部件的电气特性是晶体管705的导通电阻。
当晶体管持续承受高电压时，它的导通电阻将会增大，且该晶体管最终会损坏。为了防止电子设备700和关键部件损坏，监测电路704监测晶体管705的导通电阻，并且在晶体管705损坏前通过输出引脚707输出报警信号。
根据本发明的一实施例，监测电路704可通过检测节点n1处的电压或者晶体管705两电极间的电压差来监测晶体管705的导通电阻，该电压差是与晶体管705的导通电阻相关的重要参数或因数。例如，监测电路704监测预设节点n1处的电压或者晶体管705两电极间的电压差，并且将该电压或电压差与参考电压进行比较，以判定该电压或电压差是否在安全范围以外。当该电压或电压差被判定为在安全范围以外时，监测电路704通过输出引脚707输出报警信号。需要注意，安全范围可以根据待监测的相应电气特性来灵活确定，并且具有一定的余量，以使关键部件不会在该检测出的电压或电压差刚好位于安全范围以外时就损坏。
根据本发明的一实施例，接口电路700还可包括过电压检测器709。过电压检测器709与引脚701和晶体管705耦接，用于检测引脚701接收到的电压尖峰的电压水平。当过电压检测器709检测出电压水平超过了预定的阈值时，过电压检测器709可产生相应的控制信号以关闭晶体管705。需要注意，在一些实施例中，过电压检测器709也可以产生相应的控制信号以稍稍打开晶体管705。当晶体管705被关闭或者稍稍打开(例如轻微的导通)时，内部电路702也可被进一步保护。
图8a示出了根据本发明第二方案的第一实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。接口电路800可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚801、内部电路802、包括至少一个晶体管805的过电压保护电路803、监测电路804以及过电压检测器809。内部电路802用于提供接口电路800的主接口功能。过电压保护电路803在内部电路802和引脚801之间耦接，用于控制预设节点n1处的电压，从而保护内部电路802，使其免受引脚801处接收到的电压尖峰值或电流冲击的损害。过电压检测器809与引脚801和晶体管805耦接，用于检测引脚801接收的电压尖峰的电压水平。当过电压检测器809检测出该电压水平超过预定的阈值时，过电压检测器809可以产生相应的控制信号以关闭晶体管805。
在此实施例中，监测电路804可包括比较器808。比较器808可具有与预设节点n1耦接的第一输入端、接收参考电压的第二输入端以及与输出引脚807耦接的输出端。比较器808将预设节点n1处的电压与参考电压进行比较，以判定该电压是否在安全范围以外。例如，当该电压比参考电压低时，比较器808可以通过输出引脚807输出逻辑高电平信号作为报警信号以警告用户。
需要注意，现有技术中已有多种不同的比较器电路的设计。因此，为了简洁性考虑，比较器808的具体电路图在此不再赘述。
此外，比较器808还可以用于将晶体管805的两电极间的电压差与参考电压进行比较，以判定该电压差是否在安全范围以外。例如，当该电压差高于参考电压时，比较器808可以通过输出引脚807输出逻辑高电平信号作为报警信号以警告用户。如之前所述，用于将晶体管805两电极间的电压差与参考电压进行比较的监测电路804和比较器808可以通过如图6b和图6c所示的多功能电压检测器618配合电子设备的处理器来实现。
图8b示出了根据本发明一实施例的过电压检测电路的示例性电路图。过电压检测器819可包括接收参考信号vref(例如用于比较的预定的阈值)的第一输入端vin、与i/o引脚(例如，如图8a所示的引脚801)耦接的第二输入端vip以及输出相应控制信号的输出端out_c。例如，输出端out_c可以与晶体管805的控制极耦接，并且在检测到第二输入端vip的电压水平超过预定的阈值时，输出相应的控制信号以关闭晶体管805。控制电压vbias和vctrl，以及参考信号vref可以由电子设备的处理器(图未示)提供，用以恰当地控制相应的晶体管。
另一个用以实现过电压检测电路的示例性电路图可以参考如图6b所示的多功能电压检测器618。如之前所述，输入端pad与i/o引脚(例如，如图8b所示的引脚801)耦接。当需要过电压检测功能时，多功能电压检测器618可充当过电压检测器。多工器mux可以将i/o引脚接收的电压输出至比较器620的输入端。比较器620将多工器mux的输出(也就是i/o引脚接收的电压)与数模转换器dac的输出进行比较并产生比较结果。通过这种方式，比较结果可以数字码(digitalcode)的形式提供。处理器可以根据比较结果进一步判定i/o引脚接收的电压水平是否超过预定的阈值。当检测出引脚801接收的电压水平超过预定的阈值时，处理器可输出相应的控制信号以关闭晶体管805。
图9示出了根据本发明第二方案的第二实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。接口电路900可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚901、内部电路902、过电压保护电路903以及过电压检测器909。在此实施例中，监测电路集成在过电压检测器909内部。
过电压检测器909与引脚901和晶体管905耦接，用于检测引脚901接收的电压尖峰的电压水平。当过电压检测器909检测出该电压水平超过预定的阈值时，过电压检测器909可产生相应的控制信号以关闭晶体管805。
监测电路将预设节点n1处的电压与参考电压进行比较，以判定该电压是否在安全范围以外。例如，当该电压比参考电压低时，监测电路可通过输出引脚907输出逻辑高电平信号作为报警信号以警告用户。
需要注意，现有技术中已有多种不同的比较器电路的设计。因此，为了简洁性考虑，内部集成有监测电路(例如，比较器)的过电压检测器的具体电路图可以通过如图8b所示的电路图推导得到，在此不再赘述。
图10示出了根据本发明第二方案的第三实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。接口电路1000可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚1001、内部电路1002、包括至少一个晶体管和至少一个电阻器1005的过电压保护电路1003、监测电路1004以及过电压检测器1009。
在此实施例中，关键部件是电阻器1005，且监测电路1004将电阻器1005一端的电压或者电阻器1005两端间的电压差与参考电压进行比较，以判定该电压或电压差是否在安全范围以外。例如，当该电压差高于参考电压时，监测电路1004可通过输出引脚1007输出逻辑高电平信号作为报警信号以警告用户。
图11示出了根据本发明第二方案的第四实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。接口电路1100可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚1101、内部电路1102、包括至少一个晶体管和至少一个电阻器的过电压保护电路1103、监测电路1104以及过电压检测器1109。过电压检测器1109的示例性电路图可参考图8b，为了简洁性考虑在此不再赘述。
在此实施例中，关键部件可以是过电压保护电路1103中的电阻器或者晶体管，且监测电路1104可包括比较器1108。比较器1108用于将电阻器或者晶体管的一端或一节点(例如，预设节点n1或者电阻器和晶体管的连接节点)处的电压与参考电压进行比较，以判定该电压是否在安全范围以外。例如，当该电压低于参考电压时，比较器1108可通过输出引脚1107输出逻辑高电平信号作为报警信号以警告用户。
图12示出了根据本发明第三方案的一实施例的电子设备的接口电路的结构示意图。接口电路1200可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚1201、内部电路1202、过电压保护电路1203以及监测电路1204。
在此实施例中，内部电路1202可包括一个或多个与预设节点n1耦接的输入/输出设备，其中，关键部件为内部电路1202中的至少一个i/o设备1205。例如，监测电路1204监测预设节点n1处的电压或者i/o设备1205两端间的电压差，且将该电压或电压差与参考电压进行比较，以判定该电压或电压差是否在安全范围以外。当该电压或电压差被判定为在安全范围以外时，监测电路1204通过输出引脚1207输出报警信号。需要注意，安全范围可以根据待监测的相应电气特性来灵活确定，并且具有一定的余量，以使关键部件不会在该检测出的电压或电压差刚好位于安全范围以外时就损坏。
此外，在本发明的第三方案中，除了内部电路1202中的关键部件以外，监测电路1204也可以监测过电压保护电路1203中的一个或多个关键部件，如之前的实施例所述，而本发明不应被认为受此限制。
图13示出了根据本发明第三方案的一实施例的电子设备的接口电路的示例性电路图。接口电路1300可包括至少一个用于与外部电路选择性连接的引脚1301、内部电路1302、过电压保护电路1303以及监测电路1304。
在此实施例中，监测电路1304可监测内部电路1302中的晶体管1305两电极间的电压差，且将该电压差与参考电压进行比较，以判定该电压差是否在安全范围以外。例如，当该电压差高于参考电压，可判定其在安全范围以外，监测电路1304通过输出引脚1307输出报警信号。需要注意，安全范围可以根据待监测的相应电气特性来灵活确定，并且具有一定的余量，以使关键部件不会在该检测出的电压或电压差刚好位于安全范围以外时就损坏。
此外，在本发明的第三方案中，除了内部电路1302中的关键部件以外，监测电路1304也可以监测过电压保护电路1303中的一个或多个关键部件，如之前的实施例所述，而本发明不应被认为受此限制。
如以上实施例所述，通过过电压保护电路，预设节点n1处的电压可以被控制以恰当地落在预设范围以内，从而防止内部电路受到i/o引脚接收的外部的极高电压引起的损害。此外，通过监测电路，在关键部件即将损坏时产生报警信号，接口电路300中的关键部件可以得到进一步的保护。另外，在一些实施例中，通过过电压检测器，过电压保护电路中的晶体管可以在需要时被关闭或稍稍打开(即轻微的导通)，而内部电路可以被进一步保护。
虽然已经通过示例和根据优选实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于此。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员仍可进行各种改变和修改。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其等同物来限定和保护。