一种含USB口通信的主控芯片供电电路的制作方法

本发明涉及一种利用简易的被动器件来低成本实现usb口通信过程中对主控芯片的安全供电，属于低功耗供电技术领域。

背景技术：

随着物联网技术的不断发展，使用lora技术进行无线通信的传感器的应用越来越多。由于lora传感器低功耗的特性，常会使用两节1.5v的干电池串联得到3v电压对传感器进行供电。基于lora无线通信的特点，传感器的收发频点、地址与收发密码等与收发本身就有关的信息使用无线配置往往不便，因此通常会增加usb通信功能来进行配置。然而usb口的电压一般为5v，而耐压较低的传感器主控芯片一般不超过3.6v，如使用usb口的5v电压直接供电会导致损坏主控芯片。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种含usb口通信的主控芯片供电电路，仅使用5个二极管和2个电阻的低成本电压控制方案，解决在未装电池的情况下usb口5v电压直接供电损坏主控芯片的问题，并且在电池供电时该部分电路不增加功耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种含usb口通信的主控芯片供电电路，包括usb口、降压模块一、电池、主控芯片u1、降压模块二、usb转换口芯片u2，其中，所述降压模块一包括二极管一d1、二极管二d2、二极管三d3，所述usb口的阳极端、二极管一d1、二极管二d2、二极管三d3、主控芯片u1阳极端依次连接，所述usb口的阴极端接地，所述电池的阳极端与二极管三d3的阴极端连接，另一端接地，所述主控芯片u1的阴极端接地；所述降压模块二包括二极管四d4、二极管五d5，所述二极管四d4的阳极端与主控芯片u1的rx管脚连接，所述二极管四d4的阴极端与usb转换口芯片u2的tx管脚连接；所述二极管五d5的阴极端与主控芯片u1的tx管脚连接，所述二极管五d5的阳极端与usb转换口芯片u2的rx管脚连接；所述usb转换口芯片u2的阳极与usb口的阳极端连接，所述usb转换口芯片u2的阴极与usb口的阴极端连接。

进一步地：所述降压模块一包括电阻一r1，所述电阻一r1一端与极管二d2的阴极端连接，另一端接地。

进一步地：所述降压模块二包括电阻二r2，所述电阻二r2的一端与二极管五d5的阳极端连接，另一端接地。

进一步地：包括电池，所述电池的阳极端与二极管三d3的阴极端连接，另一端接地。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明增加usb口配置功能。

2、在电池供电时不增加额外功耗。

3、不需增加5v转3.3v的电平转换芯片。

4、不论常规运行还是低功耗休眠下主控芯片均能安全可靠运行。

附图说明

图1为本发明电气示意图。

图2为二极管d1～d3导通压降特性图。

图3为未装电阻二r2时二极管五d5线路等效电路图。

图4为加装电阻二r2时二极管五d5线路等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种含usb口通信的主控芯片供电电路，如图1所示，包括usb口、降压模块一、电池、主控芯片u1、降压模块二、usb转换口芯片u2、电池，其中：

所述降压模块一包括二极管一d1、二极管二d2、二极管三d3、电阻一r1，所述usb口的阳极端、二极管一d1、二极管二d2、二极管三d3、主控芯片u1阳极端依次连接，所述usb口的阴极端接地，所述电池的阳极端与二极管三d3的阴极端连接，另一端接地，所述主控芯片u1的阴极端接地。所述电阻一r1一端与极管二d2的阴极端连接，另一端接地。所述电池的阳极端与二极管三d3的阴极端连接，另一端接地。

在主控芯片u1电源端使用3个二极管串联对usb口5v电压进行降压，3个二极管分别为二极管一d1、二极管二d2、二极管三d3，为避免传感器休眠状态时二极管电流过小，导致二极管降压效果不明显。在第二个二极管(二极管二d2)后面并联一个电阻一r1(接地电阻)，给前两个二极管提供毫安级别的导通电流，确保前两个二极管得到1.4v以上的压降。第三个二极管(二极管三d3)除了进一步降压以外还能防止在电池供电时对电阻一r1进行放电。

所述降压模块二包括二极管四d4、二极管五d5、电阻二r2，所述二极管四d4的阳极端与主控芯片u1的rx管脚连接，所述二极管四d4的阴极端与usb转换口芯片u2的tx管脚连接；所述二极管五d5的阴极端与主控芯片u1的tx管脚连接，所述二极管五d5的阳极端与usb转换口芯片u2的rx管脚连接。所述电阻二r2的一端与二极管五d5的阳极端连接，另一端接地；所述usb转换口芯片u2的阳极与usb口的阳极端连接，所述usb转换口芯片u2的阴极与usb口的阴极端连接。

在主控芯片u1的rx管脚与usb转串口芯片的tx管脚间串联一个二极管四d4，二极管四d4阳极接主控芯片rx管脚，阴极接usb转串口芯片tx管脚。二极管四d4用来防止5v供电的usb转串口芯片通过tx管脚将主控芯片电源电压充高。在主控芯片的tx管脚与usb转串口芯片的rx管脚间串联一个二极管五d5，二极管五d5阳极接usb转串口芯片rx管脚，阴极接主控芯片tx管脚。二极管五d5防止usb口不使用时，电池供电时主控芯片由tx管脚向usb转串口芯片的rx管脚放电造成损耗。在主控芯片tx管脚串联的二极管五d5阳极接一个电阻二r2(接地电阻)。电阻二r2用于主控芯片低功耗工作时防止usb转串口芯片的5v电压经rx管脚内部上拉电阻、串联二极管五d5与主控芯片tx上拉电阻后向主控芯片电源提供4v以上电压。增加接地电阻二r2后，将usb转串口芯片的rx管脚电压降低到3.3v以下，使得主控芯片在休眠状态下仍能安全供电。而电池供电时，主控芯片tx管脚被串联的二极管五d5挡住，不会向电阻二r2(接地电阻)放电。

主控芯片u1使用南京仁珏的m-hl9-lfp，usb转串口芯片u2使用南京沁恒的ch340c，二极管一d1、二极管二d2、二极管三d3使用vishay的1n4148ws，二极管三d3、二极管四d4使用长电科技的b5819ws。

原理分析

主控芯片u1的电压工作范围为1.8v～3.6v，本发明在装电池情况下使用usb口通信时，主控芯片u1直接由电池供电，不受usb口电压影响。因此主要分析该发明电路在不装电池的情况下进行usb口的通信时，u1仍能处于正常工作电压范围。

1、降压模块一电路分析：d1、d2、d3的降压曲线如图2所示。

(1)仅使用d1～d3，不使用电阻一r1会出现的问题情况分析：

当二极管电流if降低时二极管的压降vf会明显降低，如25℃下10ua电流仅有0.4v的压降，3个二极管仅有1.2v压降，如果没有电阻一r1，仅靠3个二极管仅能降压到3.8v，尤其当lora传感器在休眠状态时u1电流可以低于10ua，在此情况下降压效果会更差，使得主控芯片u1承受明显大于3.6v的电压。

(2)同时使用d1～d3和r1的可靠工作情况分析：

在二极管二d2后增加1个接地电阻一r1，并且二极管三d3可以防止电池供电时对电阻一r1放电。电阻一r1选取合适的阻值即可使得二极管一d1和二极管二d2可以获得较稳定的压降，电阻一r1取470ω：

①在25℃下，当u1处于休眠状态，功耗电流约5ua，由于存在接地电阻一r1，二极管一d1和二极管二d2电流if约为7.2ma，压降vf约0.8v。二极管三d3电流if约5ua，压降vf约为0.3v，经过三个二极管5v电压下降为5-0.8-0.8-0.3＝3.1v。

②在100℃下，当u1处于休眠状态，功耗电流约5ua，由于存在接地电阻一r1，二极管一d1和二极管二d2电流if约为7.7ma，压降vf约0.7v。二极管三d3电流if约5ua，压降vf约为0.1v，经过三个二极管5v电压下降为5-0.7-0.7-0.2＝3.4v。

③在25℃下，当u1处于运行状态，功耗电流约4ma，由于存在接地电阻一r1，二极管一d1和二极管二d2电流if约为11ma，压降vf约0.88v。二极管三d3电流if约4ma，压降vf约为0.75v，经过三个二极管5v电压下降为5-0.88-0.88-0.75＝2.49v。

④在100℃下，当u1处于运行状态，功耗电流约4ma，由于存在接地电阻一r1，二极管一d1和二极管二d2电流if约为11ma，压降vf约0.8v。二极管三d3电流if约4ma，压降vf约为0.65v，经过三个二极管5v电压下降为5-0.8-0.8-0.65＝2.75v。

总结：在①～④种情况下均满足u1的1.8v～3.6v的工作电压要求。

2、降压模块二电路分析：该部分电路中usb转串口芯片u2电源接在二极管一d1阳极之前，避免电池供电时给该芯片供电造成额外损耗。由于usb转串口芯片u2电源直接由usb口的5v进行供电，因此要避免u2由5v供电后经tx管脚和rx管脚对主控芯片u1反灌电流导致主控芯片u1电压升高造成损坏的情况。

(1)使用二极管四d4的可靠工作情况分析：

二极管四d4的正向导通压降约为0.45v，即不影响主控芯片u1的rx管脚接收低电平信号，又可以阻挡usb转串口芯片u2的tx管脚的5v电压倒灌到主控芯片u1。

(2)仅使用二极管五d5，不使用电阻二r2的问题情况分析：

二极管五d5也即不影响usb转串口芯片u2的rx管脚发送低电平信号，又可以防止传感器正常工作时主控芯片u1的tx管脚的向usb转串口芯片u2供电。但是如果只增加二极管四d4和二极管五d5，且主控芯片u1处于正常运行状态，功耗为4ma。此时usb口的5v电源会经过d1、d2和d3降压后给主控芯片u1供电，主控芯片u1运行正常。但如果主控芯片u1进入休眠状态，功耗降低到5ua时，主控芯片u1电压会上升到4v以上，如图3为u1和u2的内部近似等效电路图。图中，v1为的u1电源正极，v2是usb口5v电压正极，rl是u1的内部等效负载电阻，当处于运行状态时rl约为3v/4ma＝750ω，当处于休眠状态时约为3v/5ua＝600kω。r3为u2内部rx与v2间的电阻，约为10kω。r4为u1内部tx与v1之间的电阻，约为10kω。

①u1处于运行状态时，假如降压模块一的电路不存在，rl为750ω，根据分压定理可得v1＝(5-0.5)*0.75k/(20k+0.75k)＝0.16v，但由于降压模块一电路的存在，v1会由5v电压经d1、d2和d3三个二极管钳位在2.49～2.75v之间，此时u1工作正常。

②u1处于休眠状态时，假如降压模块一的电路不存在，rl为600kω，由于休眠状态电流仅为5ua，d5压降小于0.5v，根据分压定理可得v1>(5-0.5)*600k/(20k+600k)＝4.35v，即使增加降压模块一的电路，但v1电压与usb口的5v电压间的差值<0.65v，无法达到d1、d2和d3三个二极管的导通压降，相当于降压模块一的电路开路。使得u1工作电压>4.35v，造成损坏。

(2)同时使用二极管五d5和电阻二r2的可靠工作情况分析：

当增加合适阻值的r2接地电阻，例如r2取值20kω，其等效电路图如图4所示。

①u1处于运行状态时，假如降压模块一的电路不存在，rl为750ω，由于电阻二r2的存在，v1<0.16v，但由于降压模块一的电路的存在，根据(二)中分析d1、d2和d3三个二极管会将v1电压钳位在2.49～2.75v之间，此时u1工作正常。

②u1处于休眠状态时，假如降压模块一的电路不存在，rl为600kω，由于rl>>r2和r3，因此电阻二r2上的分压可近似计算得v1>5*20k/(20k+10k)-0.5v＝2.8v，由于降压模块一的电路的存在，v1会由5v电压经d1、d2和d3二极管钳位到3.1v～3.4v。

总结：降压模块一和降压模块二电路两者相辅相成，使得主控芯片u1在增加外部usb口通信的情况下即可安全可靠工作，又不会使电池供电时增加外部的功耗。该两部分创新点路成本极低，仅通过增加5个二极管和2个电阻即达到了安全降压的要求。相较于通常电路省去一个5v转3.3v的电平转换芯片的成本，具有明显的经济价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。