【应用】N沟道MOSFET 2N7002用于USB接口控制电路的解决方案，保证USB接口工作稳定
该项目是一块液晶屏的终端控制板，其USB接口用于连接上位机，接收下发的显示命令，2N7002用于控制USB接口的上拉电阻通断，以便上位机对USB设备进行枚举。
2N7002是长晶科技生产的一款N沟道MOSFET ，使用高单元密度的 MOSFET 技术生产，具有可靠的快速开关性能。同时2N7002采用SOT-23封装，可有效减少PCB板的占用空间，其价格仅需要0.1~0.2元/PCS，对板卡的整体BOM成本而言微乎其微。适合低电压、小电流应用，如LED驱动、PWM驱动和其他开关应用。
控制板主要功能框图如下所示
图 1 控制板主要功能框图
该控制板采用STM32F407作为核心处理器，一端通过I2C接口外接一块点阵LCD显示屏，另一端通过USB连接到上位机。LCD屏通过触摸功能进行人机交互，将按键信息发送给STM32控制器，经控制器处理后通过USB接口发送给上位机，再根据需要上传到远程服务器。上位机和服务器对信息进行处理后通过USB接口将结果返回给STM32控制器，在LCD上显示相应内容。2N7002用于STM32F407的USB接口电路，STM32F407工作于USB Device模式，在控制板上电时STM32F407会控制2N7002导通，将USB接口的DP信号上拉到电源，这样上位机就可以检测到有USB设备接入，然后对USB设备进行枚举和初始化。
2N7002的主要参数如下表所示
表 1 2N7002主要参数列表
控制板USB接口部分电路图如下所示
图 2 2N7002 USB接口控制电路图
该电路用了两个2N7002对USB接口的DP信号进行控制，USB接口信号DP和DM以及控制信号EN#都连接到STM32F407处理器。这里采用了两级MOSFET来做控制，原因是MOSFET为电压型控制器件，栅极对电压很敏感，SMT32F407上电复位期间（一般几十ms至100ms）EN#引脚输出为高阻态，虽然是高阻态，但是仍然会有很小的泄漏电流（一般是μA级），这个电流会导致该引脚对外呈现高电平状态，如果只用一级N沟道MOSFET，这个电压会使2N7002短暂导通，造成误动作。增加一级2N7002后，处理器的高阻态加上R36的上拉会使Q1进入更稳定的导通状态，确保Q2完全截止。因为2N7002开关时间为ns级，在EN#有效之后可以使Q2迅速导通，使控制板的USB接口实现了对上位机的快速响应。
电路的工作原理简述如下：
系统上电时EN#为高阻态，Q1因为栅极上拉而导通，使Q2的栅极变为低电平，因此Q2截止，此时DP的1.5K电阻与3.3V电源断开，上位机无法检测到USB设备插入。当EN#变为低电平后，Q1截止，Q2因为R39上拉而导通，此时USB的DP信号就被R38上拉到3.3V电源。上位机因此检测到USB设备的接入，从而开始对STM32F407的USB设备进行枚举和初始化工作。
上图中DP和DM上分别加了一颗ESD保护器件，用于防止USB线缆插拔时静电对STM32造成损坏。
板卡的实物图如下所示。图中Q1，Q2即为2N7002。
图 3 2N7002板卡实物图
该控制板样板经过实际测试，在控制板上电后，STM32F407在很短时间内就可以控制2N7002打开USB接口的上拉电阻，使上位机可以及时发现并枚举USB设备，然后迅速进入通信状态。有效保证了USB接口的正常、稳定通信以及系统的可靠运行。
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