CN108599357A - 一种车载数据终端用电源切换电路 - Google Patents

一种车载数据终端用电源切换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载数据终端用电源切换电路，包括有外部电源输入端、电源输出端、充电装置、二极管、场效应管、备用电源、第一采样比较电路、第二采样比较电路和控制电路，所述外部电源输入端和备用电源分别通过采样比较电路连接至控制电路，由控制电路切换外部电源和备用电源。本发明采用场效应管进行开关控制，避免二极管导致的漏电问题和高温烧毁风险，备用电源的输出效率提升；通过电阻分压采样降低电路的消耗电流，并可通过电阻值设置来控制场效应管的开启时间；相对于MCU控制，采用仲裁逻辑电路加快对场效应管切换的响应时间。本发明作为一种车载数据终端用电源切换电路可广泛应用于电子电路领域。

Description

一种车载数据终端用电源切换电路
技术领域
本发明涉及电子电路领域，尤其是一种车载数据终端用电源切换电路。
背景技术
为了满足“车载终端在车辆发生异常情况下并导致车载终端与车辆主电源断开后可以独立运行，独立运行时长至少可以支撑车辆最后10分钟的数据上传至企业平台”的产品需求，各车载数据采集产品供应商通常采用如图1所示的备用电源切换电路实现“主电源断开后可以独立运行10分钟”产品功能。
但是图1所示电路存在如下问题：经外部供电至充电装置U1再到内置备用电源U2之间仅隔了一个二极管K2电压，以二极管K2通过1A电流来计算，在二极管K2上将产生0.7W热量，常温下若二极管K2采用SOD-232封装,二极管K2上将产生40-50℃温升并降低了电路工作效率；若在75℃环境温度下工作，理论上二极管K2将接近其材料115℃PN节极限工作温度极限，二极管K2存在烧毁风险。
为降低二极管发热量，很多厂商会将二极管K2更换为肖特基二极管，这样降低二极管发热功率至0.3W(以1A电流计算)，但这样电池的浮充电压就会更低，较二极管低0.4V左右，会导致备用电池无法通过浮充充电模式将电池充满。
此外，因为二极管K2是持续导通的，受到后面负载的影响，会存在内置备用电源U2过度放电风险。电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少，对电池寿命造成极大影响。
因此，为进一步提高内置备用电源U2的输出效率，很多供应商会采用如图2所示电路，将图1中的二极管K2更换为FET开关电路，通外部电压采集电路检测外部电压是否跌到可以开启内置内用电源电压，如果低到一定电压则开启场效应管K2。因为场效应管K2压降几乎为0，这样就可以减小内置备用电源U2输出30％输出效率。然而更换为场效应管后，如果微控制器U4无法快速通过采集电路U3外部电压跌落并在电压跌落至K4端断电之前开启K2，整个供电***便会有断电风险。
综上，目前市面上所用如图1电路虽然可以满足“外部供电”掉电后供电不断电的要求，但存在备用电源供电效率低下等问题；图2虽然可以提高备用电池供电效率，但存在切换过程中K4输出端的场效应管K2断电的风险。
发明内容
为了解决上述技术问题，发明的目的是：开发出一种硬件电路，实现车载数据终端提高备用电源输出效率和响应时间的电源切换电路。
本发明所采用的技术方案是：一种车载数据终端用电源切换电路，包括有：
一外部电源输入端，用于提供第一电压；
一电源输出端，用于提供工作电压至车载数据终端；
一二极管，用于连接外部电源输入端，并将第一电压输出至电源输出端；
一备用电源；
一充电装置，用于连接外部电源输入端，并将第一电压转换为第二电压，以提供第二电压对备用电源充电；
一第一采样比较电路，用于对第一电压进行采样，并将第一电压采样值与第一参考电压进行比较，得到第一比较结果；
一第二采样比较电路，用于对第二电压进行采样，并将第二电压采样值与第二参考电压进行比较，得到第二比较结果；
一控制电路，用于连接备用电源和电源输出端，并根据第一比较结果和第二比较结果控制备用电源与电源输出端的连通。
进一步，所述控制电路包括有
一场效应管，用于连接备用电源和电源输出端；
一仲裁逻辑电路，用于根据第一比较结果和第二比较结果控制场效应管的导通或截止。
进一步，所述第一采样比较电路包括有：
一第一采样模块，用于对第一电压进行采样得到第一电压采样值；
一第一比较模块，用于连接第一采样模块，并将第一电压采样值与第一参考电压进行比较，得到第一比较结果。
进一步，所述第一比较模块包括有：
一第一比较器，用于将第一电压采样值与第一参考电压进行比较；
一第一非门，用于连接第一比较器，以接收第一比较器的输出信号，并得到中间比较结果；
一第二非门，用于连接第一非门，以接收中间比较结果，并输出第一比较结果。
进一步，所述第二采样比较电路包括有：
一第二采样模块，用于对第二电压进行采样得到第二电压采样值；
一第二比较模块，用于连接第二采样模块，并将第二电压采样值与第二参考电压进行比较，得到第二比较结果。
进一步，所述第二比较模块包括有：
一第二比较器，用于将第二电压采样值与第二参考电压进行比较；
一第三非门，用于连接第二比较器，以接收第二比较器的输出信号，并输出第二比较结果。
进一步，所述仲裁逻辑电路包括有第四非门、第五非门、第六非门、第七非门、第一与门、第二与门、第三与门、第四与门、第一或门和第二或门，所述第一采样比较电路的输出端分别连接至第五非门的输入端、第三与门的第二输入端和第四与门的第一输入端，所述第二采样比较电路的输出端分别连接至第四非门的输入端、第二与门的第二输入端和第四与门的第二输入端，所述第四非门的输出端分别连接至第一与门的第一输入端和第三与门的第一输入端，所述第五非门的输出端分别连接至第一与门的第二输入端和第二与门的第一输入端，所述第一与门的输出端连接至第一或门的第一输入端，所述第二与门的输出端连接至第一或门的第二输入端，所述第三与门的输出端连接至第二或门的第一输入端，所述第四与门的输出端通过第六非门连接至第二或门的第二输入端，所述第一或门的输出端和第二或门的输出端均连接至第七非门的输入端，所述第七非门的输出端用于控制场效应管的导通或截止。
本发明的有益效果是：电路中采用场效应管进行开关控制，不会出现以往采用二极管导致的电池漏电问题和使用软件控制切换过程中***断电问题，避免二极管在高温工作的烧毁风险，提升了备用电源的输出效率；通过电阻分压采样降低电路的消耗电流，并可通过电阻值设置来控制场效应管的开启时间；采用仲裁逻辑电路加快对场效应管切换的响应时间，相对于MCU控制速度提升至少28倍。
附图说明
图1为现有技术中的常用解决方案；
图2为现有技术中的改进解决方案；
图3为本发明的电路结构示意图；
图4为本发明电路一具体实施例中电路框架图；。
图5为本发明电路一具体实施例中仲裁逻辑电路原理图。
具体实施例
下面结合附图对发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图3，一种车载数据终端用电源切换电路，包括有：
一外部电源输入端，用于提供第一电压；
一电源输出端，用于提供工作电压至车载数据终端；
一二极管K1，用于连接外部电源输入端，并将第一电压输出至电源输出端；
一备用电源U2；
一充电装置U1，用于连接外部电源输入端，并将第一电压转换为第二电压，以提供第二电压对备用电源U2充电；
一第一采样比较电路，用于对第一电压进行采样，并将第一电压采样值与第一参考电压进行比较，得到第一比较结果；
一第二采样比较电路，用于对第二电压进行采样，并将第二电压采样值与第二参考电压进行比较，得到第二比较结果；
一控制电路，用于连接备用电源U2和电源输出端，并根据第一比较结果和第二比较结果控制备用电源U2与电源输出端的连通。
进一步作为优选的实施方式，所述控制电路包括有
一场效应管K2，用于连接备用电源U2和电源输出端；
一仲裁逻辑电路K3，用于根据第一比较结果和第二比较结果控制场效应管K2的导通或截止。
当第一采样比较电路检测到外部电源输入端的电压值低于一定值时输出低电平，否则输出高电平；同样的，当第二采样比较电路检测到备用电源U2输出的电压值低于一定值时输出低电平，否则输出高电平。然后仲裁逻辑电路K3根据第一采样比较电路和第二采样比较电路的输出控制场效应管K2。图3中第一采样比较电路、第二采样比较电路和仲裁逻辑电路K3的功能可用根据实际应用场景,通过对仲裁逻辑电路K3电路结构的调节实现不同的仲裁逻辑，从而实现对电源切换逻辑的控制。
例如对于第一采样比较电路的输出B和第二采样比较电路的输出A，仲裁逻辑电路K3输出逻辑如下：
当A＝0，B＝0时，仲裁逻辑电路K3输出为0；
表示没有外部电源输入且备用电源U2供电不足的情况下，场效应管K2处于开路状，都无需内外电源供电；
当A＝0，B＝1时，仲裁逻辑电路K3输出为0；
表示外部电源输入端正常供电情况下，场效应管K2处于开路状,备用电源U2充电；
当A＝1，B＝0时，仲裁逻辑电路K3输出为0；
表示外部电源输入端断开的情况下，场效应管K2处于闭合状，由备用电源U2供电；
当A＝1，B＝1时，仲裁逻辑电路K3输出为1；
表示通过外部电源输入端供电，场效应管K2处于开路状态，备用电源U2充电。
进一步作为优选的实施方式，所述第一采样比较电路包括有：
一第一采样模块，用于对第一电压进行采样得到第一电压采样值；
一第一比较模块，用于连接第一采样模块，并将第一电压采样值与第一参考电压进行比较，得到第一比较结果。
如图3所示，本发明具体实施例中的第一采样模块包括有第一电阻R1和第二电阻R2，所述外部电源输入端连接至第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端通过第二电阻R2接地，所述第一电阻R1的另一端还作为第一采样模块的输出端连接至第一比较模块U3-B的第一输入端；所述第一比较模块U3-B的第二输入端用于输入第一参考电压信号VrefB。
参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述第一比较模块包括有：
一第一比较器U3-B，用于将第一电压采样值与第一参考电压进VrefB行比较；
一第一非门U6-A，用于连接第一比较器U3-B，以接收第一比较器U3-B的输出信号C3，并得到中间比较结果C4；
一第二非门U6-C，用于连接第一非门U6-A，以接收中间比较结果C4，并输出第一比较结果C5。
进一步作为优选的实施方式，所述第二采样比较电路包括有：
一第二采样模块，用于对第二电压进行采样得到第二电压采样值；
一第二比较模块，用于连接第二采样模块，并将第二电压采样值与第二参考电压进行比较，得到第二比较结果。
参照图3，所述第二采样模块包括有第三电阻R3和第四电阻R4，所述充电装置U1的输出端连接至第三电阻R3的一端，所述第三电阻R3的另一端通过第四电阻R4接地，所述第三电阻R3的另一端还作为第二采样模块的输出端连接至第二比较模块的第一输入端；所述第二采样模块的输出端连接至第二比较模块U3-A的第一输入端，所述第二比较模块U3-A的第二输入端用于输入第二参考电压信号VrefA。
参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述第二比较模块包括有：
一第二比较器U3-A，用于将第二电压采样值与第二参考电压VrefA进行比较；
一第三非门U6-B，用于连接第二比较器U3-A，以接收第二比较器U3-A的输出信号C1，并输出第二比较结果C2。
进一步作为优选的实施方式，为了提高第一比较模块U3-B或第二比较模块U3-A的速度，可按照实际应用要求，调整参考电压，例如将参考电压设置为1V。使用1.1V和0.9V进行比较，相对于1.1V与2V来比较，比较模块往往可以更快输出0或1电平。
设置备用电源U2过度放电电压为7.9V，经过第三电阻R3和第四电阻R4分压后电压小于等于1V时，第二比较模块输出0，当备用电源U2电压大于7.9V时，第二比较模块输出1。具体的备用电源U2电压、第三电阻R3和第四电阻R4的电路参数可参照下表1。
表1、U2与分压电阻R3，R4电路参数
U2(电压) R3(MΩ精度1％) R4(MΩ精度1％) 电压采集A(电压) U2(漏电流)uA
7 6.8 1.1 0.974683544 0.886075949
7.8 6.8 1.1 1.086075949 0.987341772
7.9 6.8 1.1 1.1 1
8 6.8 1.1 1.113924051 1.012658228
8.8 6.8 1.1 1.225316456 1.113924051
13 6.8 1.1 1.810126582 1.64556962
参照表1，第三电阻R3和第四电阻R4取样电压跟随备用电源U2电压变化，当备用电源U2电压减少到7.9V以下时，电压采集A小于第二参考电压VrefA，第二比较模块U3-A输出0；相应的，当备用电源U2电压增加到7.9V以上时，电压采集A大于第二参考电压VrefA，第二比较模块U3-A输出1。镍氢电池组过度放电电压为7V左右，因此在使用第二比较模块U3-A实现比较输出的设计上并不需要过度关注电压采集A的电压精度问题。
设置外部电源输入端的电压跌落至10.2V以下，电压经过第一电阻R1和第二电阻R2分压后电压小于等于1V时，第一比较模块输出0，当外部电源输入端的电压大于10.2V时，第一比较模块输出1。第一电阻R1和第二电阻R2在断电后不会对图3电路功耗造成影响。具体的外部电源输入端的电压、第一电阻R1和第二电阻R2的电路参数可参照下表2。
表2、外部电源与分压电阻R1，R2电路参数
外部电源(电压) R1(MΩ精度1％) R2(MΩ精度1％) 电压采集B(电压)
9 9.1 1.1 0.970588235
10 9.1 1.1 1.078431373
10.1 9.1 1.1 1.089215686
10.2 9.1 1.1 1.1
10.5 9.1 1.1 1.132352941
11 9.1 1.1 1.18627451
13 9.1 1.1 1.401960784
通过调节第一电阻R1和第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4所形成电压值可以控制场效应管K2开启时间，电路较使用软件控制更为灵活、迅速，通过调整电阻值可以将图3电路中消耗电流降低至100uA，电路自放电受负载的影响可控。硬件控制时间为响应时间最低可以做到700ps响应时间，而以20MHz微控制器为例，不含ADC采样时间时使用软件控制的响应时间为200ns，所以使用硬件逻辑更加快速的控制响应优势。
参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述仲裁逻辑电路K3包括有第七非门F1、第五非门F2、第六非门F3、第七非门F4、第一与门U4-A、第二与门U4-B、第三与门U4-C、第四与门U4-D、第一或门U5-A和第二或门U5-B，所述第一采样比较电路的输出端分别连接至第五非门F2的输入端、第三与门U4-C的第二输入端和第四与门U4-D的第一输入端，所述第二采样比较电路的输出端分别连接至第七非门F1的输入端、第二与门U4-B的第二输入端和第四与门U4-D的第二输入端，所述第七非门F1的输出端分别连接至第一与门U4-A的第一输入端和第三与门U4-C的第一输入端，所述第五非门F2的输出端分别连接至第一与门U4-A的第二输入端和第二与门U4-B的第一输入端，所述第一与门U4-A的输出端连接至第一或门U5-A的第一输入端，所述第二与门U4-B的输出端连接至第一或门U5-A的第二输入端，所述第三与门U4-C的输出端连接至第二或门U5-B的第一输入端，所述第四与门U4-D的输出端通过第六非门F3连接至第二或门U5-B的第二输入端，所述第一或门U5-A的输出端和第二或门U5-B的输出端均连接至第七非门F4的输入端，所述第七非门的输出端用于控制场效应管的导通或截止。
所述仲裁逻辑电路K3的输入端C5和C2分别用于接收第一采样比较电路的输出B和第二采样比较电路的输出A，仲裁逻辑电路K3中的与门、非门实现逻辑如下表3：
表3、仲裁逻辑电路K3中的与门、非门真值表
A B ～A ～B ～A&～B A&～B ～A&B ～(A＆B)
0 0 1 1 1 0 0 1
0 1 1 0 0 0 1 1
1 0 0 1 0 0 0 1
1 1 0 0 0 0 0 0
A表示：电池满足放电条件；例如A＝0表示备用电源U2电压≤7.9V，电池存在过度放电风险，内部供电将断开；A＝1表示备用电源U2电压＞7.9V，可由内部电源供电；
B表示：外部电源正常供电条件；例如B＝0表示外部电源输入端电压≤10.2V，电源即将断开；B＝1表示外部电源输入端电压＞10.2V，电源供电正常；
～A表示：电池处于过度放电状态或者电池无法对外放电；
～B表示：外部电源供电断开；
～A&～B表示：内外电源都断开，内部的备用电源处于过度放电状态；
A&～B表示：在外部电源断开的情况下，由内部的备用电源供电，备用电源未达到过度放电条件；
～A&B表示：外部电源正常供电情况下，内部的备用电源充电；
～(A&B)表示：内外部电源都满足正常供电的情况下对内部的备用电源充电。
结合表3可得出仲裁逻辑电路K3中的或门、非门实现逻辑如下表4：
表4：仲裁逻辑电路K3中的或门、非门实现逻辑
A B ～(～A&～B)|(A&～B)|(A&～B) ～[～(A&B)]
0 0 0 0
0 1 0 0
1 0 0 0
1 1 1 1
其中(～A&～B)|(A&～B)|(A&～B)表示三种状态下，仲裁逻辑电路K3的输出C6(即场效应管K2的控制逻辑)与～(A&B)相同，具体控制逻辑如下：
当A＝0，B＝0时，仲裁逻辑电路K3输出为0；
表示没有外部电源输入且备用电源U2供电不足的情况下，场效应管K2处于开路状，都无需内外电源供电；
当A＝0，B＝1时，仲裁逻辑电路K3输出为0；
表示外部电源输入端正常供电情况下，场效应管K2处于开路状，备用电源U2充电；
当A＝1，B＝0时，仲裁逻辑电路K3输出为0；
表示外部电源输入端断开的情况下，场效应管K2处于闭合状，由备用电源U2供电；
当A＝1，B＝1时，仲裁逻辑电路K3输出为1；
表示通过外部电源输入端供电，场效应管K2处于开路状态，备用电源U2充电。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种车载数据终端用电源切换电路，其特征在于，包括有：
一外部电源输入端，用于提供第一电压；
一电源输出端，用于提供工作电压至车载数据终端；
一二极管，用于连接外部电源输入端，并将第一电压输出至电源输出端；
一备用电源；
一充电装置，用于连接外部电源输入端，并将第一电压转换为第二电压，以提供第二电压对备用电源充电；
一第一采样比较电路，用于对第一电压进行采样，并将第一电压采样值与第一参考电压进行比较，得到第一比较结果；
一第二采样比较电路，用于对第二电压进行采样，并将第二电压采样值与第二参考电压进行比较，得到第二比较结果；
一控制电路，用于连接备用电源和电源输出端，并根据第一比较结果和第二比较结果控制备用电源与电源输出端的连通。
2.根据权利要求1所述的一种车载数据终端用电源切换电路，其特征在于：所述控制电路包括有
一场效应管，用于连接备用电源和电源输出端；
一仲裁逻辑电路，用于根据第一比较结果和第二比较结果控制场效应管的导通或截止。
3.根据权利要求1或2所述的一种车载数据终端用电源切换电路，其特征在于：所述第一采样比较电路包括有：
一第一采样模块，用于对第一电压进行采样得到第一电压采样值；
一第一比较模块，用于连接第一采样模块，并将第一电压采样值与第一参考电压进行比较，得到第一比较结果。
4.根据权利要求3所述的一种车载数据终端用电源切换电路，其特征在于：所述第一比较模块包括有：
一第一比较器，用于将第一电压采样值与第一参考电压进行比较；
一第一非门，用于连接第一比较器，以接收第一比较器的输出信号，并得到中间比较结果；
一第二非门，用于连接第一非门，以接收中间比较结果，并输出第一比较结果。
5.根据权利要求1或2所述的一种车载数据终端用电源切换电路，其特征在于：所述第二采样比较电路包括有：
一第二采样模块，用于对第二电压进行采样得到第二电压采样值；
一第二比较模块，用于连接第二采样模块，并将第二电压采样值与第二参考电压进行比较，得到第二比较结果。
6.根据权利要求5所述的一种车载数据终端用电源切换电路，其特征在于：所述第二比较模块包括有：
一第二比较器，用于将第二电压采样值与第二参考电压进行比较；
一第三非门，用于连接第二比较器，以接收第二比较器的输出信号，并输出第二比较结果。
7.根据权利要求2所述的一种车载数据终端用电源切换电路，其特征在于：所述仲裁逻辑电路包括有第四非门、第五非门、第六非门、第七非门、第一与门、第二与门、第三与门、第四与门、第一或门和第二或门，所述第一采样比较电路的输出端分别连接至第五非门的输入端、第三与门的第二输入端和第四与门的第一输入端，所述第二采样比较电路的输出端分别连接至第四非门的输入端、第二与门的第二输入端和第四与门的第二输入端，所述第四非门的输出端分别连接至第一与门的第一输入端和第三与门的第一输入端，所述第五非门的输出端分别连接至第一与门的第二输入端和第二与门的第一输入端，所述第一与门的输出端连接至第一或门的第一输入端，所述第二与门的输出端连接至第一或门的第二输入端，所述第三与门的输出端连接至第二或门的第一输入端，所述第四与门的输出端通过第六非门连接至第二或门的第二输入端，所述第一或门的输出端和第二或门的输出端均连接至第七非门的输入端，所述第七非门的输出端用于控制场效应管的导通或截止。
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