CN104953701A - 一种隔离式电池供电方案 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隔离式电池供电方案。它包括一锂电池、一电阻R1、一电容器C1、一反激隔离电源芯片、一变压器、一使能电路、一时钟电源电路和一交流市电电源电路。其特征在于，交流电供电情况下，时钟电源电路工作电压由交流市电电源电路提供，锂电池只提供反激隔离电源芯片静态电流；交流电供电断电情况下，系统以锂电池作为备用电源，为时钟电源电路提供工作电压。同时，该供电方案具有检测锂电池电量的功能，并在电池电量较低时发出更换电池通知。该方案实现了锂电池供电系统与交流市电供电系统的电路隔离，即避免了因电池供电系统与交流市电供电系统共地导致的更换电池触电危险，也有效避免了因电池直接与MCU相连导致的对MCU管脚的冲击损害。

Description

一种隔离式电池供电方案

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域与集成电路设计领域，具体是指应用于智能电表中的一种隔离式电池供电方案。

背景技术

根据国家电网智能电能表功能规范，智能电表采用锂电池作为无交流电存在情况时钟电路的备用电源，用于提供时钟电路的工作电压，避免因时钟电路掉电导致的时钟错乱。作为无交流市电存在时的备用电源，如何设计电池供电方案已成为智能表设计过程中的重要环节。

目前智能电表中常用的电池供电方案有：非隔离锂电池供电方案，即锂电池供电电路与时钟电路均以交流市电作为公共地；隔离锂电池供电方案，即锂电池供电电路与时钟电路分别采用独立地线，实现与交流市电的隔离。上述两种锂电池供电方案，均存在不足之处。非隔离锂电池供电方案的缺点在于，更换电池的操作完全暴露在强电环境中，增加了更换电池时的触电危险，同时由于电池直接为MCU供电，增加了更换电池操作带来的对MCU管脚的静电冲击风险。隔离锂电池供电方案，虽然避免了更换电池时的触电危险，但由于锂电池仍然直接为MCU供电，依然存在因更换电池等操作带来的对MCU管脚的静电冲击风险。

发明内容

为解决现有智能电表电池供电方案中存在的问题，本发明提供了一种隔离式电池供电方案。该隔离式电池供电方案，不仅实现了锂电池供电电路与时钟电路地线的隔离，避免了电池更换过程中可能存在的触电危险；而且避免了电池与MCU管脚的直接连通，消除了因更换电池等操作带来的对MCU管脚的静电冲击风险。

本发明所述的一种隔离式电池供电方案，其特征在于，所述隔离式电池供电方案包括一锂电池、一电阻R1、一电容器C1、一反激隔离电源芯片、一变压器、一使能电路、一时钟电源电路和一交流市电电源电路。其中，

所述锂电池作为无交流电存在时智能电表时钟电路的备用电源，用于提供时钟电路的工作电压，避免因时钟电路掉电导致的时钟错乱。

所述反激隔离电源芯片的第一输入端与锂电池正极VCC相连接，作为芯片电源输入端；第二输入端通过电阻R1与VCC相连接，用于电池电量检测过程产生大小为I的下拉电流；第三输入端通过电容器C1与GND1相连接，用于产生巡检信号；第四输入端与锂电池负极GND1相连接，作为芯片地线输入端，输出端通过变压器主线圈L1连接至锂电池正极VCC。

所述变压器主线圈L1两端分别连接至锂电池正极VCC和反激隔离芯片输出端，副线圈L2两端分别连接至时钟电源电路第一输入端和地线GND2，用于完成锂电池到时钟电源电路的能量传递。

所述使能电路连接至时钟电源电路第一输入端与地线GND2之间，用于开启锂电池供电系统的电池电量检测功能。

所述时钟电源电路第一输入端与变压器相连接，第二输入端与交流市电电源电路相连接，输出电压VO作为时钟电路的供电电源；交流市电存在情况下，该时钟电源电路以交流市电电源电路输出VDD为电源，提供时钟电路工作电压VO；交流市电断电情况下，该时钟电源电路以锂电池为备用电源，提供时钟电路工作电压VO。

所述交流市电电源电路以交流市电作为供电电源，输出为电压VDD，在交流市电存在情况下，输出电压VDD为时钟电源电路提供工作电压。

所述的一种隔离式电池供电方案，其特征在于，反激隔离电源芯片为低静态功耗电源芯片，极大降低反激隔离电源芯片自身带来的锂电池电量损耗。

本发明的工作原理如下：

1、交流市电断电情况

交流市电断电情况下，时钟电源电路的工作电压由锂电池提供。在反激隔离电源芯片控制下，锂电池以脉冲的形式连续为时钟电源电路供电的过程，定义为充电模式；锂电池终止为时钟电源电路供电的过程，定义为待机模式。充电模式中，在反激隔离电源芯片对变压器的通断控制下，供电系统完成了锂电池能量到时钟电源电路的转移，电压VO逐渐增大。并且，充电模式中，反激隔离电源芯片时刻对电压VO的大小进行检测：若检测到电压VO＜V1，则锂电池供电系统保持充电模式，持续对时钟电源电路充电，电压VO继续升高；若检测到时钟电源VO＞V1，则锂电池供电系统结束充电模式，系统进入待机模式，电压VO开始降低。待机模式中，锂电池终止为时钟电源电路供电，电压VO逐渐降低。并且，待机模式中，反激隔离电源芯片对电压VO大小进行定时巡检，及时检测时钟电压VO的大小：若检测到时钟电压VO＞V2，则锂电池供电系统保持待机模式，电压VO继续减低；若检测到电源VO＜V2，锂电池供电系统结束充电模式，系统进入充电模式，电压VO开始升高。通过反激隔离芯片对时钟电压VO大小的检查功能，锂电池供电系统在充电模式与待机模式之间来回切换，完成交流市电断电情况下，电池能量到时钟电源电路的传递，避免因时钟电源电路输出电压VO掉电引起的时钟错乱。

阈值电压V1为时钟电源典型工作电压；阈值电压V2满足低于时钟电源典型工作电压，且大于时钟电路正常工作的最低电源电压。该二阈值电压大小关系为V2＜V1。

2、有交流市电供电情况

有交流市电供电情况下，时钟电源电路工作电压由交流市电电源电路VDD提供，锂电池供电系统处于待机模式。待机模式中，通过反激隔离电源芯片与电容器C1产生的巡检信号，锂电池供电系统定时开启巡检功能，即通过开启系统对电压VO的定时检查，及时获知电压VO的大小，避免因交流市电中断，由于锂电池不能及时参与供电导致电压VO掉电引起的时钟错乱。同时，待机模式中，锂电池主要提供提反激隔离电源芯片的静态工作电流。低静态功耗电源芯片的设计，降低了芯片对锂电池电量的损耗，延长了锂电池的使用寿命。

3、锂电池电量检测功能

锂电池处于电量消耗边沿时，其内阻会显著增加。根据这一特性，使能电路定时使能开一次，启动锂电池供电系统电池电量检测功能。电池电量检测功能开启后，反激隔离电源芯片通过电阻R1对锂电池以电流I进行放电，并检测该放电水平下锂电池输出电压VCC的大小，以此获知电池内阻的变化情况。通过上述对锂电池内阻变化情况的检测，获取锂电池是否处于电量耗尽边沿。该电池电量检测过程，若测得电池电压VCC＞V4，则认为电池电量充足；若测得电池电压VCC＜V4，则认为电池电量处于耗尽边沿，此时系统输出报警信号，并通过智能电表发出电池电量耗尽通知，通知需更换电池。

阈值电压V4为根据锂电池特性选定的电池电量耗尽边沿对应的输出电压。

该反激隔离电池供电方案，实现了电池供电电路与时钟电路地线的隔离，避免了电池更换过程中可能存在的触电危险；同时避免了电池与MCU管脚的直接连通，消除了更换电池操作带来的对MCU管脚的静电冲击风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。在附图中：

图1为一种隔离式电池供电方案。

图2为本发明一实施例的示意图。

图3为本发明中反激隔离芯片结构示意图。

图4为本发明待机模式与充电模式切换控制流图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合本发明实施例附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例的一种，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，为本发明一实施实例示意图。锂电池1正极VCC作为变压器5主线圈侧电路的电源端，负极GND1作为变压器5主线圈侧电路的地线端。反激隔离芯片4的第一输入端与锂电池1的正极VCC相连接，该输入端为反激隔离芯片4的电源输入端；第二输入端通过电阻2与锂电池1正极VCC相连接，电池电量检测过程中该输入端配合电阻2产生恒定下拉电流I；第三输入端通过第一电容器3与锂电池1的负极GND1相连接，用于产生巡检时钟信号；第四输入端与锂电池的负极GND1相连接，作为反激隔离芯片4的地线端；反激隔离芯片4的输出端SW通过变压器5的主线圈6与锂电池1的正极VCC相连接。变压器5的副线圈7的一端SW1分别与第一二极管8和第三二极管9正极相连接；变压器5的副线圈7的另一端与地线GND2相连接，地线GND2作为变压器5副线圈侧电路地线端。第一二极管8、第二二极管12与第二电容器10一起构成时钟电源电路，其中第一二极管8的正极与变压器SW1端相连接；负极通过第二电容器10与GND2相连接；第二二极管12的正极与交流市电电源电路输出端VDD相连接；负极连接至第一二极管8和第二电容器10的公共端；第二电容器10两端电压VO即为时钟电源电路的输出电压，该电压为时钟电路的电源电压。交流市电电源电路13通过第二二极管12跨接至第二电容器10两端，在交流电存在情况下，提供时钟电源电路的工作电压。第三二极管9的负极与NMOS管11的漏端相连接，NMOS管11的源端与地线GND2相连接；NMOS管11的栅端与控制信号CTR相连接，在信号CTR控制下，第三二极管9与NMOS管11一起作为锂电池供电系统电池电量检测功能的使能电路。

进行系统工作过程描述之前，首先说明在无特殊说明情况下控制信号CTR始终为低电平，即第三二极管9与NMOS管11构成使能电路的SW1端到GND2路径始终处于断开状态。

1、交流市电断电时工作过程如下

由于交流市电断电，交流市电电源电路13因失去自身工作所需的电源电压而无法为时钟电源电路提供工作电压。此时为保证时钟电路的正常运行，锂电池1作为备用电源开始起作用。由于交流市电存在时，锂电池供电系统处于待机模式，交流市电断开后，随着时钟电路的运行，第二电容器10的两端电压VO逐渐降低。该过程中，通过反激隔离电源芯片4与第一电容器3产生的巡检信号定时触发锂电池供电系统进入充电模式。充电模式中，反激隔离电源芯片4以周期为T的开关信号控制变压器5中主线圈6的通断：主线圈6导通阶段，根据变压器5的反相特性与二极管反向截止特性，此时副线圈7处于断开状态，该过程完成锂电池1能量到变压器5的存储，记为正激过程；主线圈6断开阶段，根据电感电流不能突变特性与第一二极管8的正向导通特性，此时副线圈7通过第一二极管8为第二电容器10充电，记为反激过程。反激过程中，反激电压SW包含有电压VO的大小信息。因此，通过检测该过程电压SW的大小即可获知电压VO的大小信息。待机模式中，由巡检信号触发锂电池供电系统强制进入充电模式后的工作过程为，反激周期，通过反击隔离电源芯片4对电压SW的检测，获知时钟电压VO的大小信息：当VO＞V2时，反激隔离电源芯片4控制锂电池供电系统结束充电模式，锂电池供电系统继续保持待机模式；当VO＜V2时，反激隔离电源芯片4控制锂电池供电系统结束待机模式，锂电池供电系统进入充电模式。充电模式中，反激隔离电源芯片4以周期为T的开关信号控制锂电池1持续对第二电容器10充电，电压VO逐渐上升，并且在每个反激周期，反激隔离电源芯片4都会对电压SW大小进行检测以获知电压VO的大小信息：当VO＜V1时，反激隔离电源芯片4控制锂电池供电系统保持充电模式；当VO＞V1时，反激隔离电源芯片4控制锂电池供电系统结束充电模式，锂电池供电系统进入待机模式。交流市电断电情况下，通过反激隔离电源芯片4对电压VO的检测，控制锂电池供电系统在待机模式与充电模式之间来回切换，进而完成锂电池作为备用电源对时钟电源电路能量的提供。整个工作过程。忽略检测过程电压VO的过冲情况下，电压VO满足：V2＜VO＜V1。

阈值电压V1为时钟电源典型工作电压；阈值电压V2满足低于时钟电源典型工作电压，且大于时钟电路正常工作的最低电源电压。该二阈值电压大小关系为V2＜V1。

2、交流市电存在时工作过程如下

交流市电存在时，时钟电源电路的工作电压由交流市电电源电路13提供。该供电环境下，由于每个巡检周期，反激隔离电源芯片4都会检测到电源VO＞V2，因此锂电池供电系统始终处于待机模式。此时，锂电池1主要提供提反激隔离电源芯片4的静态工作电流。反激隔离电源芯片4为低静态功耗电源芯片，降低了锂电池供电系统自身对锂电池电量的损耗，延长了锂电池的使用寿命。同时，待机模式中巡检功能的设计避免了因交流市电中断，由于锂电池1不能及时参与供电导致电压VO掉电而引起的时钟错乱。

3、锂电池电量检测功能

当锂电池1处于电量消耗边沿时，其内阻会显著增加。根据这一特性，系统定时通过控制信号CTR闭合NMOS管11，并通过第三二极管9强制拉低SW1端电压巡检脉冲到来时，由于第三二极管9与NMOS管11的强下拉作用，反激隔离电源芯片4会检测到电压VO＜V3。电压V1、V2和V3的大小关系为，V1＞V2＞V3，因此将VO＜V3作为电池电量检测的使能信息。电池电量检测的使能后，反激隔离电源芯4片对锂电池1通过电阻2以电流I进行放电，并检测该放电水平下锂电池1输出电压VCC的大小，以此得知锂电池1内阻的变化情况。通过上述对锂电池1内阻特性与内阻检测方法的描述，电池电量检测过程中，若测得锂电池1的输出电压VCC＞V4，则认为电池电量充足；若测得锂电池1的输出电压VCC＜V4，则认为电池电量处于耗尽边沿，此时系统输出欠压信号，并通过智能电表发出因电池电量耗尽需更换电池的通知。

图3为反激隔离电源芯片4结构示意图。如图所示，反激隔离电源芯片中基准电路14作为整个芯片的基准模块，为芯片各模块提供工作所需的基准电压与基准电流。电池检测电路15的第一输入端作为芯片管脚TR；第二输入端与基准电路14第一输出端相连接；第三输入端与反激检测电路17第二输出端OC相连接，用于开启电池电量检测功能；第一输出端OA与振荡器电路16第二输入端相连接，锂电池电量检测过程，若检测到电池电量耗尽信息，则通过该输出端信号改变振荡器电路16的工作频率，并以此频率变化作为电量是否耗尽的判断标准。振荡器电路16第一输入端与基准电路14的第二输出端相连接；第三输入端与反激检测电路17的第一输出端OB相连接，用于根据反激检测电路17对电压VO大小的检测，控制锂电池供电系统在待机模式与充电模式之间切换；第一输出端与输出逻辑电路19第一输入端相连接，输出开关信号OSC，作为系统工作时的开关信号。反激检测电路17第一输入端与基准电路14第三输出端相连接；第二输入端与巡检时钟电路18的输出端相连接，实现待机模式下锂电池供电系统的巡检功能；第三输入端与芯片管脚SW相连接；第二输出端OC与电池检测电路15第三输入端相连接，作为电池检测电路15的使能信号，控制电池检测电路15是否启动电池检测功能。巡检时钟电路18的第一输入端与基准电路14的第四输出端相连接；第二输入端作为芯片管脚TIM；输出端OD与反激检测电路17第二输入端相连接，实现待机模式下锂电池供电系统的巡检功能。反激隔离电源芯片4作为锂电池供电系统的控制芯片，通过振荡器电路16产生供电系统充电模式时的开关信号；通过电池检测电路15，完成电池电量的检查，并通过改变振荡器电路16输出信号的开关频率作为电量是否耗尽的判断标准；通过反激检测电路17检测电压VO的大小，决定供电系统的充电模式，并确定是否需要开启电池电量检测功能；通过巡检时钟电路18控制供电系统处于待机模式时定时检测巡检电压VO的大小，避免了因交流市电中断，由于锂电池1不能及时参与供电导致电压VO掉电而引起的时钟错乱。

图4为本发明待机模式与充电模式切换控制流图。信号VO为时钟电路工作电压；信号V1与V2为判别时钟电压VO大小的阈值电压；信号OSC振荡器电路16产生的开关信号，该信号作为充电模式下锂电池供电系统的开关信号；信号OD为巡检时钟电路18输出的巡检信号；信号OB为反激检测电路17的输出信号，该信号反映了电压VO的大小。如图所示，充电模式中，由于反激检测电路17检测到电压VO＜V1，信号OB保持低电平此时振荡器输出连续开关信号，完成锂电池能量到电容10的传递，输出电压逐渐升高；随着输出电压的升高，t1时刻，当反激检测电路17检测到时钟电压VO＞V1时，此时信号OB变为高电平，关闭振荡器电路中的开关信号输出，锂电池供电系统进入待机模式。待机模式中，随着时钟电路的耗电，电压VO逐渐降低，t2时刻巡检信号OD产生，并强制振荡器电路16输出一开关信号，借此开关信号反激检测电路17完成对电压VO的检测，此时由于检测到VO＞V2，锂电池供电系统保持待机模式；经多个巡检周期后，t3时刻反激检测电路17检测到VO＜V2，锂电池供电系统结束待机模式，电路进入充电模式。如此往复，无交流市电供电情况，通过检测电压VO的大小，控制锂电池供电系统在待机模式与充电模式之间来回切换，进而完成锂电池作为备用电源对时钟电路能量的提供。

综上所述，本发明提供的一种隔离式电池供电方案不仅实现了电池供电电路与时钟电路地线的隔离，避免了电池更换过程中可能存在的触电危险；而且避免了电池与MCU管脚的连接通路，消除了更换电池操作带来的对MCU管脚的静电冲击风险。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种隔离式电池供电方案，其特征在于，所述隔离式电池供电方案包括一锂电池、一电阻R1、一电容器C1、一反激隔离电源芯片、一变压器、一使能电路、时钟电源电路和一交流市电电源电路。其中，

所述锂电池作为无交流市电存在时智能电表时钟电路的备用电源，用于提供时钟电路的工作电压，避免因时钟电路掉电导致的时钟错乱；

所述反激隔离电源芯片的第一输入端锂电池正极VCC相连接，作为芯片电源输入端；第二输入端通过电阻R1与VCC相连接，用于电池电量检测过程产生大小为I的下拉电流；第三输入端通过电容器C1与GND1相连接，用于产生巡检信号；第四输入端与GND1相连接，作为芯片地线输入端，输出端通过变压器主线圈L1连接至锂电池正极VCC；

所述变压器主线圈L1两端分别连接至锂电池的正极VCC和反激隔离芯片输出端，变压器副线圈L2两端分别连接至时钟电源电路第一输入端与正输入端和地线GND2，用于完成锂电池到时钟电源电路的能量传递；

所述使能电路连接至时钟电源电路第一输入端与地线GND2之间，用于开启锂电池供电系统的电池电量检测功能；

所述时钟电源电路第一输入端与变压器相连接，第二输入端与交流市电电源电路相连接，输出电压VO作为时钟电路的供电电源；交流市电存在情况下，该时钟电源电路以交流市电电源电路输出VDD为电源，提供时钟电路工作电压VO；交流市电断电情况下，该时钟电源电路以锂电池为备用电源电源，提供时钟电路工作电压VO；

所述交流市电电源电路是以交流市电作为供电电源产生的低压电源，在交流市电存在情况下，提供时钟电源电路的工作电压。

2.如权利要求1所述的一种隔离式电池供电方案，其特征在于，反激隔离电源芯片为低静态功耗电源芯片，极大降低反激隔离电源芯片自身带来的锂电池电量损耗。