CN104375001B - 电能表专用电源芯片和电能表 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能表专用电源芯片和电能表，其中，该芯片包括：第一开关电源模块、第二开关电源模块、电源切换控制器和主控制器，第一开关电源模块接受外接主电源的供电，第二开关电源模块与电网掉电不供电的电源输出管脚Vcc相连，第一开关电源模块分别向第二开关电源模块和电源切换控制器供电，并分别与内部电压输出的管脚Vout和电压调整的输入管脚Vj相连，电源切换控制器接受外接备用电源的供电，并与电网掉电仍供电的输出管脚Vdd相连，电源切换控制器向所述主控制器供电，主控制器与芯片的检测输出管脚相连。本发明集成了电能表主控电路的电源处理功能，简化了电能表的设计，提高了***稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及供电技术领域，具体地，涉及电能表专用电源芯片和电能表。
背景技术
自2009年底电力***统一智能电能表规范以来，单相电子式智能电能表(以下简称电能表)的电源设计一直都是设计中的难点及重点。为适应电力***规范的要求，电能表的主电路需要有两路不同的电源，其中一路电源(以下简称Vdd)能够支持电能表在电网掉电后，关键器件能够继续运行，另一路电源(以下简称Vcc)只在电网正常供电的情况下有电。Vdd有两种情况，在电网正常供电情况下的Vdd值(Vdd1)与备用电源供电情况下的Vdd(Vdd2)值可能不同。Vcc在备用电源供电的情况下为0。根据规范要求需要检测备用电源的电压情况，同时为了保证***正常运行需要对主控芯片进行可靠复位。
如图1所示，现有的电能表根据主控芯片不同，主电路电源Vdd1的值也有区别，常见的电源电压有5V、3.6V。同时，根据规范要求电能表部分功能在电网断电的情况下还需要工作，所以需要设计备用电源。备用电源一般选用3.6V的锂电池，这种电池的特点是长寿命，自放电非常小，可以满足电能表的寿命要求。所以Vdd2一般为3.0V-3.6V。为保证***正常运行，在电网正常供电的情况下Vdd与Vcc的压差不能超过0.7V。目前的电能表电源电路如图2-5所示。
目前电能表的电源***由多个分立的器件组成，器件多，电路复杂，可制造性差，故障率高，综合成本高，电路可移植性差。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中电能表由多个分立器件组成造成电路复杂的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种电能表专用电源芯片。
根据本发明实施例的电能表专用电源芯片，包括：第一开关电源模块、第二开关电源模块、电源切换控制器和主控制器，第一开关电源模块接受外接主电源的供电，第二开关电源模块与电网掉电不供电的电源输出管脚Vcc相连，第一开关电源模块分别向第二开关电源模块和电源切换控制器供电，并分别与内部电压输出的管脚Vout和电压调整的输入管脚Vj相连，电源切换控制器接受外接备用电源的供电，并与电网掉电仍供电的输出管脚Vdd相连，电源切换控制器向所述主控制器供电，主控制器与芯片的检测输出管脚相连。
本发明是为了克服现有技术中电能表由多个分立器件组成造成电路复杂的缺陷，根据本发明的另一个方面，提出一种电能表。
根据本发明实施例的电能表，包括上述电能表专用电源芯片。
本发明实施例的电能表专用电源芯片和电能表，集成了电能表主控电路的电源处理功能，简化了电能表的设计，提高了***稳定性，降低了生产过程中的故障率，降低了生产成本。
本发明实施例的电能表专用电源芯片和电能表，集成了电源管理、复位、电压检测、防电池钝化功能，功能强大稳定，适应性强。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术中的电能表电源的整体结构示意图；
图2为现有技术中的电能表电源的降压电路结构示意图；
图3为现有技术中的电能表电源的切换及电池电压检测电路结构示意图；
图4为现有技术中的电能表的主芯片复位电路结构示意图；
图5为现有技术中的电能表电源的电压检测电路结构示意图；
图6为本发明电能表专用电源芯片的实施例的功能模块示意图；
图7为本发明电能表专用电源芯片的实施例的结构示意图；
图8为本发明电能表专用电源芯片的外接调整电路的示意图；
图9为本发明电能表专用电源芯片的电源切换控制器的电路图；
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明提出了一种电能表专用电源芯片，此芯片集成了电能表主控电路的电源处理功能，化繁为简，简化了电能表的设计，降低了生产中的故障率，降低了总成本。
本发明提出的电能表专用电源芯片，针对目前的电能表市场，功能强大，极大的提高了电能表的可靠性及生产的一致性，转变了电能表设计的重点，使设计人员的精力更多的放在电能表的功能上。
本发明提出了一种电能表专用电源芯片(以下简称本芯片)，芯片集成了降压、电压切换、主控芯片复位、电源监测、电池检测等功能，如图6-7所示。芯片有12个管脚，管脚列表如表1所示。
表1
| 编号 | 名称 | 功能 | 备注 |
| 1 | +12V | 直流12V输入 | |
| 12 | +3.6V | 电池3.6V输入 | |
| 7 | Vcc | 电网掉电不供电电源 | |
| 6 | Vdd | 电网掉电仍供电电源 | |
| 5 | Rset | 复位控制输出 | |
| 4、9 | GND | 地 | |
| 8 | Vj | 电压调整 | 通过调整Vj的值来配置Vcc、Vdd的电压 |
| 10 | BATDET | 电池电压检测输出 | |
| 2 | VOTDET | 电源检测输出 | |
| 11 | BAT | 电池防钝化 | |
| 3 | Vout | 内部电压输出 | 与Vj配合调整Vcc、Vdd的电压 |
为适应不同主控芯片的电压要求，本芯片输出的Vdd、Vcc电压为可调电压，通过对Vj管脚的配置可以达到调节Vdd、Vcc电压的目的。本发明电能表专用电源芯片的管脚包括：
+12V：与整流后的外接主电源连接；
+3.6V：与备用电源即锂电池连接；
Vcc：电网掉电不供电的电源，功能：给不需要备用电源的负载供电；
Vdd：电网掉电仍供电的电源，功能：给需要备用电源的负载供电；
Rset：给主控芯片提供复位信号；
GND：地；
Vj：芯片的输入信号通过配置此管脚可以调节Vdd的电压；
Vout：内部电压输出，与Vj配合用来进行Vcc和Vdd的调整；
BATDET：锂电池电压检测信号输出；
VOTDET：+12V检测输出；
BAT：电池防钝化管脚信号输出，为了防止电池钝化，本芯片会定期对电池进行放电，放电电路已经在电源芯片内部实现，当电池放电时此管脚为低，使用时此管脚悬空。
本芯片内部集成两个开关电源模块：第一开关电源模块和第二开关电源模块，其中第一开关电源带1.25V的基准电源，Vout与Vj配合使用可以调整Vcc和Vdd的电压。
本芯片外接的调整电路如图8所示，其中，Vout与本芯片的Vout管脚连接，Vj与本芯片的Vj管脚连接，调整方法如下：
因为：
Vout＝Vdd+0.2
Vj＝1.25
所以：
另外，第二开关电源可以实现降压的目的：
现有技术中，多采用二极管方法降压，如图3所示。虽然此方法简单，但是，二极管的压降与电流直接相关，负载的波动会引起压降的变化，造成Vcc不稳定，直接影响到***的稳定。
本芯片采用采用第二开关电源模块降压可以有效的稳定Vcc的值。并且，第二开关电源模块的参考电源由Vdd提供，可以有效的保证Vcc与Vdd没有压差，极大的提高了***的稳定性，降低了***功耗。
本芯片的电源切换控制器由两个二极管竞争实现，其内部原理如图9所示。两个二极管均选用锗管，其特点是压降低，只有0.2V。所以：
Vout＝Vdd+0.2
本芯片的主控制器由Vdd供电，主控制器控制模数转换器对+12V及+3.6V进行采样，当检测到+12V或+3.6V出现异常情况时，分别控制VOTDET或BATDET输出低电平。此功能极大的节约了电能表主控芯片的资源。主控制器按照预先的设定对锂电池进行放电，并且从BAT口输出放电信号。当检测到***上电时通过复位电路对主控芯片进行复位。
本芯片的振荡器给第一开关电源、第二开关电源及主控制器提供基础振荡源。
本发明的电能表专用电源芯片(以下简称电源芯片)的工作过程包括：
当电网正常供电时，外部变压器为电源芯片的1脚提供+12V电压。用户根据自己的需求通过调整外部电路Rx和Ry的值，调整内部第一开关电源模块的输出。内部第一开关电源模块的输出电压提供给内部第二开关电源模块和电源切换控制器，第二开关电源模块通过对Vdd的采样跟随Vdd的值，保证Vcc和Vdd一致，第一开关电源模块输出的电压通过电源切换控制器输出Vdd，此时电源切换控制器阻止外部+3.6V电池供电。
当电网停电时，电源切换控制器使得+3.6V电池给Vdd供电。内部两个开关电源模块(第一开关电源模块和第二开关电源模块)都停止工作。
因为电源切换控制器由Vdd供电，所以电源切换控制器在任何情况下都能工作，电源切换控制器会定时通过模数转换器采集+12V和+3.6V的电压通过对电压的检测判断出电网是否掉电，判断出电池电压是否过低，并通过VOTDET和BATDET管脚输出判断结果，同时，如果检测到电网上电会通过复位控制器输出复位信号。
本发明实施例还公开了一种电能表，该电能表包括如上文实施例所述的电能表专用电源芯片，具体内容不再赘述。
本发明实施例的电能表专用电源芯片和电能表，集成了电能表主控电路的电源处理功能，简化了电能表的设计，提高了***稳定性，降低了生产过程中的故障率，降低了生产成本。
本发明实施例的电能表专用电源芯片和电能表，集成了电源管理、复位、电压检测、防电池钝化功能，功能强大稳定，适应性强。
本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图6-图9为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电能表专用电源芯片，其特征在于，包括：第一开关电源模块、第二开关电源模块、电源切换控制器和主控制器，所述第一开关电源模块接受外接主电源的供电，所述第二开关电源模块与电网掉电不供电的电源输出管脚Vcc相连，所述第一开关电源模块分别向所述第二开关电源模块和电源切换控制器供电，并分别与内部电压输出的管脚Vout和电压调整的输入管脚Vj相连，所述电源切换控制器接受外接备用电源的供电，并与电网掉电仍供电的输出管脚Vdd相连，所述电源切换控制器向所述主控制器供电，所述主控制器与芯片的检测输出管脚相连；
其中，Vdd为第二开关电源模块提供参考电源；
还包括调整电路，所述调整电路包括依次串联连接的电阻Rx、Ry，所述管脚Vout与所述Rx一端相连，所述Rx另一端与所述Ry一端相连，所述Ry另一端与地相连，所述管脚Vj与所述Rx、Ry的连接端相连：
因为：
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>j</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mrow>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>*</mo>
<msub>
<mi>V</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>u</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
Vout＝Vdd+0.2
Vj＝1.25
所以：
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，还包括模数转换器，所述模数转换器分别与所述外接主电源的输入管脚和外接备用电源的输入管脚相连，所述模数转换器与所述主控制器相连。
3.根据权利要求1或2所述的芯片，其特征在于，还包括电池放电器，所述电池放电器与外接备用电源的输入管脚相连，所述电池放电器接收所述主控制器的控制信号，并与电池防钝化的输出管脚相连。
4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，还包括复位控制器，所述复位控制器接收所述主控制器的控制信号，所述复位控制器与复位控制输出管脚相连。
5.根据权利要求1或2所述的芯片，其特征在于，所述检测输出管脚包括：电池电压检测输出管脚和电源检测输出管脚。
6.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述电源切换控制器包括两个二极管，所述二极管采用锗管，所述二极管的负极彼此相连成并联连接，其中一个二极管的正极与所述管脚Vout相连，所述管脚Vdd与所述二极管负极的连接端相连：其中，Vout＝Vdd+0.2。
7.一种电能表，其特征在于，包括如上述权利要求1-6中任意一项所述的电能表专用电源芯片。
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