在液晶屏終端控制板中，USB接口用于連接上位機(jī)并接收下發(fā)的顯示命令。為確保USB接口通信的穩(wěn)定性，2N7002被用于控制USB接口的上拉電阻通斷，以便上位機(jī)對(duì)USB設(shè)備進(jìn)行可靠枚舉。2N7002是合科泰生產(chǎn)的一款N溝道MOSFET，該器件采用SOT-23封裝，可有效減少PCB板的占用空間。使用高單元密度的MOSFET技術(shù)制造，具有可靠的快速開關(guān)性能，市場(chǎng)價(jià)格很低，對(duì)板卡的整體BOM成本影響微乎其微。2N7002適合低電壓、小電流應(yīng)用場(chǎng)景，如LED驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)和各類開關(guān)應(yīng)用。

應(yīng)用背景

系統(tǒng)核心處理器一端通過I2C接口外接點(diǎn)陣LCD顯示屏，另一端通過USB連接上位機(jī)。LCD屏通過觸摸功能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，將按鍵信息發(fā)送給STM32控制器，經(jīng)處理后通過USB接口上傳至上位機(jī)及遠(yuǎn)程服務(wù)器；上位機(jī)和服務(wù)器處理后將結(jié)果返回給STM32控制器，并在LCD上顯示相應(yīng)內(nèi)容。

USB接口控制電路設(shè)計(jì)

先來認(rèn)識(shí)下電路里的關(guān)鍵部分：處理器相當(dāng)于“大腦”，負(fù)責(zé)發(fā)出指令和處理信號(hào)；2N7002是一種類似“電子開關(guān)”的元件；控制信號(hào)相當(dāng)于“開關(guān)指令”；USB接口的DP和DM是兩根信號(hào)線，其中DP在檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸中起關(guān)鍵作用；還有一種“防護(hù)盾”似的器件，能防止靜電損壞電路。

為何采用兩級(jí)2N7002結(jié)構(gòu)？

這要從單級(jí)類似2N7002的“電子開關(guān)”存在的問題說起。處理器剛上電復(fù)位的幾十毫秒到100毫秒內(nèi)，控制信號(hào)的引腳會(huì)處于“高阻態(tài)”，就像一根沒接任何信號(hào)的懸空線頭。此時(shí)雖無明確的高電平信號(hào)，但會(huì)有微安級(jí)的泄漏電流，可能讓引腳“誤認(rèn)”為高電平。

若只用一級(jí)這種“電子開關(guān)”，可能會(huì)因這個(gè)“假高電平”導(dǎo)致開關(guān)短暫導(dǎo)通，使USB接口出現(xiàn)錯(cuò)誤反應(yīng)，比如讓上位機(jī)誤以為有設(shè)備插入。

增加第二級(jí)2N7002后，情況得到改善：當(dāng)控制信號(hào)處于高阻態(tài)時(shí)，某個(gè)電阻會(huì)把第一級(jí)“電子開關(guān)”（Q1）的控制端拉到高電平，讓Q1穩(wěn)定導(dǎo)通。這會(huì)使第二級(jí)“電子開關(guān)”（Q2）的控制端變?yōu)榈碗娖?，Q2徹底斷開（截止），避免了單級(jí)時(shí)的誤動(dòng)作。簡(jiǎn)單講，兩級(jí)開關(guān)配合電阻的作用，讓電路在上電初期更穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤反應(yīng)。

電路的工作原理

可分為“系統(tǒng)上電時(shí)”和“控制信號(hào)有效時(shí)”兩個(gè)階段：

1.系統(tǒng)剛上電時(shí)

控制信號(hào)處于高阻態(tài)，Q1的控制端被某個(gè)電阻拉到高電平，Q1導(dǎo)通（相當(dāng)于開關(guān)閉合）。這會(huì)使Q2的控制端變成低電平，Q2截止（開關(guān)斷開）。此時(shí)USB的DP信號(hào)沒接上拉電阻，上位機(jī)（如電腦）就檢測(cè)不到有USB設(shè)備插入，電路處于“待命”狀態(tài)。

2.控制信號(hào)變低電平后

當(dāng)處理器發(fā)出“控制信號(hào)為低電平”的指令，Q1的控制端變?yōu)榈碗娖剑琎1截止（開關(guān)斷開）。這時(shí)Q2的控制端被另一個(gè)電阻拉到高電平，Q2導(dǎo)通（開關(guān)閉合），DP信號(hào)通過某個(gè)電阻被拉到電源電壓。上位機(jī)檢測(cè)到DP信號(hào)的變化，就知道有USB設(shè)備插入，開始進(jìn)行識(shí)別（枚舉）和初始化，之后便能正常通信。

結(jié)論

合科泰2N7002作為一款低成本、小封裝的N溝道MOSFET，在USB接口控制電路中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。其毫秒級(jí)的開關(guān)速度、穩(wěn)定的電氣特性以及極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格，使其成為低電壓小電流開關(guān)應(yīng)用的理想選擇，特別適合對(duì)成本敏感且要求高可靠性的消費(fèi)電子和工業(yè)控制領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇