CN111193317A - 一种终端设备掉电保护电路 - Google Patents

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CN111193317A CN202010073832.1A CN202010073832A CN111193317A CN 111193317 A CN111193317 A CN 111193317A CN 202010073832 A CN202010073832 A CN 202010073832A CN 111193317 A CN111193317 A CN 111193317A
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包琴
邹复民
廖律超
方卫东
陈子标
石志猛
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Abstract

本发明公开了一种终端设备掉电保护电路，一种终端设备掉电保护电路，包括掉电检测电路、后备电源和电压选择电路，掉电检测电路包括稳压二极管和开关三极管。本发明使用稳压二极管反向击穿工作状态并具备稳定击穿电压的特点，构成一个在市电供电出现问题时候，检测直流电压输入端下降情况，使得中央处理器能提前获知市电掉电，让终端设备的中央处理器拥有充足的时间执行掉电处理流程；同时设计有一个后备电源，以便在直流电压输入端的直流电压下降到足以影响到供电电路的直流电压输出端时，接替直流电压输入端工作，释放备用电能，以维持终端设备执行掉电流程所需要的能源，从而支持终端设备完成掉电处理流程，以保护终端设备。

Description

一种终端设备掉电保护电路
技术领域
本发明涉及电路保护技术领域，特别涉及一种终端设备掉电保护电路。
背景技术
市电即我们所说的工频交流电(AC)，用交流电的常用三个量来表征：电压、电流、频率。世界各国的常用交流电工频频率有50Hz(赫兹)与60Hz(赫兹)两种，民用交流电压分布由100V至380V不等。机房一般引入三相380V，50HZ的市电作为电源，但是设备的电源整流模块用的是单相220V的电压。
现有的终端设备很多都是通过市电进行供电，市电通过AC-DC转换电路和滤波电路之后输出直流电压供终端设备使用。当市电掉电后，直接由市电降压整流滤波而供电的终端设备也会随即掉电，严重影响终端设备的存储安全、事件上报等功能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种终端设备掉电保护电路，及时检测到市电掉电，从而由后备电源供终端设备完成掉电处理流程，以保护终端设备。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种终端设备掉电保护电路，包括掉电检测电路、后备电源和电压选择电路，所述掉电检测电路包括稳压二极管和开关三极管；
所述稳压二极管的负极端与终端设备的供电电路的直流电压输入端连接，所述稳压二极管的正极端与所述开关三极管的基极连接，所述开关三极管的集电极分别与终端设备的中央处理器的掉电检测输出引脚和工作电压连接，所述开关三极管的发射极接地，在市电正常时，所述稳压二极管的标称电压和所述开关三极管的饱和开启电压均小于所述直流电压输入端的直流电压；
所述后备电源的正极端与所述直流电压输入端与所述电压选择电路的输入端连接，所述电压选择电路的输出端与所述供电电路的直流电压输出端连接，所述电压选择电路用于根据输入端的两路电压选择电压值大的一路电压进行输出。
本发明的有益效果在于：一种终端设备掉电保护电路，使用稳压二极管反向击穿工作状态并具备稳定击穿电压的特点，构成一个在市电供电出现问题时候，检测直流电压输入端下降情况，使得中央处理器能提前获知市电掉电，让终端设备的中央处理器拥有充足的时间执行掉电处理流程；同时设计有一个后备电源，以便在直流电压输入端的直流电压下降到足以影响到供电电路的直流电压输出端时，接替直流电压输入端工作，释放备用电能，以维持终端设备执行掉电流程所需要的能源，从而支持终端设备完成掉电处理流程，以保护终端设备。
附图说明
图1为本发明实施例的一种终端设备掉电保护电路的结构示意图；
图2为本发明实施例涉及的供电电路、后备电源和电压选择电路的电路示意图；
图3为本发明实施例涉及的掉电检测电路的具体流程示意图。
标号说明：
AC、市电；B、基极；C、集电极；C1至C3、无极性电容；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4至D7、整流二极管；DW、稳压二极管；E、发射极；E1和E2、有极性电容；EF1至EF4、法拉电容；GND、地；P1和P2、市电输入接口；PB、掉电检测输出引脚；PTC、热敏电阻；Q、开关三极管；R1、第一电阻；R2、第二电阻；R3、第三电阻；R4、第四电阻；R5和R6、限流电阻；R7至R10、均压电阻；RT、可变电阻；T、变压器；TVS、电子瞬态抑制二极管；U1、稳压芯片；V_10V、10V充电电压；V_CPU、工作电压；V_IN、直流电压输入端；V_OUT、直流电压输出端。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1至图3，一种终端设备掉电保护电路，包括掉电检测电路、后备电源和电压选择电路，所述掉电检测电路包括稳压二极管和开关三极管；
所述稳压二极管的负极端与终端设备的供电电路的直流电压输入端连接，所述稳压二极管的正极端与所述开关三极管的基极连接，所述开关三极管的集电极分别与终端设备的中央处理器的掉电检测输出引脚和工作电压连接，所述开关三极管的发射极接地，在市电正常时，所述稳压二极管的标称电压和所述开关三极管的饱和开启电压均小于所述直流电压输入端的直流电压；
所述后备电源的正极端与所述直流电压输入端与所述电压选择电路的输入端连接，所述电压选择电路的输出端与所述供电电路的直流电压输出端连接，所述电压选择电路用于根据输入端的两路电压选择电压值大的一路电压进行输出。
其中，在市电正常时，由于直流电压输入端的直流电压大于稳压二极管的标称电压，从而击穿稳压二极管，由于直流电压输入端的直流电压大于开关三极管的饱和开启电压，使得开关三极管处于导通状态，开关三极管的集电极所连接的掉电检测输出引脚为低电平，中央处理器接收识别该低电平，认可为正常上电状态。
当市电掉电时，直流电压输入端的直流电压也随即下降，当直流电压下降趋近于稳压二极管的标称电压时，就无法击穿稳压二极管，此时稳压二极管表现为二极管反向截止状态，电阻趋近于无穷大，相当于断路；开关三极管的基极的电流便较小，使得开关三极管处于截止状态，此时，开关三极管的集电极所连接的掉电检测输出引脚为高电平，中央处理器接收识别该高电平，开始轮询或中断触发一个紧急事件，之后开始执行掉电处理流程，马上存储必要的标志和数据，对***重要模块进行下电，以及向后台上行通信接口发送掉电事件报文，最后中央处理器进入关机状态。
在市电掉电时，直流电压输入端的直流电压也随即下降的过程中，当直流电压低于后备电源的输出电压，此时电压选择电路选择电压值较大的后备电源进行输出，使得终端设备的电源由后备电源供应，以保证终端设备能完成掉电处理流程。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：使用稳压二极管反向击穿工作状态并具备稳定击穿电压的特点，构成一个在市电供电出现问题时候，检测直流电压输入端下降情况，使得中央处理器能提前获知市电掉电，让终端设备的中央处理器拥有充足的时间执行掉电处理流程；同时设计有一个后备电源，以便在直流电压输入端的直流电压下降到足以影响到供电电路的直流电压输出端时，接替直流电压输入端工作，释放备用电能，以维持终端设备执行掉电流程所需要的能源，从而支持终端设备完成掉电处理流程，以保护终端设备。
进一步地，所述掉电检测电路还包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；
所述第一电阻的一端与所述直流电压输入端连接，所述第一电阻的另一端与所述稳压二极管的负极端连接，所述稳压二极管的正极端通过所述第二电阻与所述开关三极管的基极连接，所述第三电阻位于所述开关三极管的基极与发射极之间；
所述直流电压输入端的直流电压经过所述第一电阻、所述第二电阻的分压之后到达所述开关三极管的基极电压大于所述开关三极管的饱和开启电压。
从上述描述可知，通过第一电阻和第二电阻的限流分压，以保护掉电检测电路；通过第三电阻来拉低开关三极管的基极电压，以使得在市电掉电时能使得开关三极管处于截止状态，从而完成掉电检测输出引脚的电平变换。
进一步地，所述开关三极管的集电极与所述工作电压之间还连接有第四电阻。
从上述描述可知，第四电流起到限流分压的作用。
进一步地，所述后备电源包括稳压集成电路和法拉电容阵列；
所述稳压集成电路的输入端与所述直流电压输入端连接，所述稳压集成电路的输出端与所述法拉电容阵列的正极端连接，所述法拉电容阵列的正极端与所述电压选择电路的输入端连接。
从上述描述可知，通过稳压集成电路来给法拉电容阵列充电，使得在市电掉电时能由法拉电容阵列进行电能释放，以提供终端设备完成掉电处理流程。
进一步地，所述稳压集成电路包括稳压芯片、第一二极管和限流电阻，所述稳压芯片与所述第一二极管的正极端连接，所述第一二极管的负极端与所述限流电阻连接，所述限流电阻与所述法拉电容阵列的正极端。
进一步地，所述稳压芯片为LM7810，所述稳压二极管的标称电压为10V。
从上述描述可知，即稳压集成电路能稳定输出10V电压来对法拉电容阵列进行充电，此时，直流电压输入端的直流电压大于10V，即在保证在市电正常时击穿稳压二极管并作为终端设备的供电电压。
进一步地，所述法拉电容阵列包括至少两个串联连接的法拉电容，每一个所述法拉电容都并联连接有均压电阻。
从上述描述可知，由于法拉电容的耐压较低，通过并联一个均压电阻来平衡电压值，以避免电容被过压击穿。
进一步地，所述法拉电容阵列由四个2.7V的法拉电容串联而成。
从上述描述可知，四个2.7V的法拉电容串联，以提供10.8V的电压值，充电的电压为10V，小于10.8V，保证其充电安全。
进一步地，所述电压选择电路包括第二二极管和第三二极管；
所述后备电源的正极端与所述第二二极管的正极端连接，所述直流电压输入端与所述第三二极管的正极端连接；
所述第二二极管的负极端与所述第三二极管的负极端同时连接于所述直流电压输出端；
在市电正常时，所述后备电源的输出电压小于所述直流电压输入端的直流电压。
从上述描述可知，在市电正常时，后备电源的输出电压小于直流电压输入端的直流电压，则第二二极管截止，第三二极管导通，此时，终端设备的供电电压即为直流电压输入端的直流电压，直流电压输入端的直流电压通过直流电压输出端，再通过直流升降压电路，将形成整个终端设备所需要的各种电压水平的直流电源，比如5V、3.3V或1.8V；而在市电掉电时，直流电压输入端的直流电压会不断下降直到低于后备电源的输出电压，第二二极管导通，第三二极管截止，后备电源开始释放电能，以供终端设备完成掉电处理流程。
进一步地，所述第二二极管的负极端、所述第三二极管的负极端与所述供电电路的直流电压输出端之间还设置有直流输出滤波电路，所述直流输出滤波电路由一个无极性电容和一个有极性电容并联而成。
从上述描述可知，通过直流输出滤波电路进行再次滤波，以保证输出稳定的直流电压供终端设备使用。
请参照图1至图3，本发明的实施例一为：
如图1所示，本实施例应用于终端设备中，其中，终端设备包括供电电路和用电电路，供电电路包括与市电输入接口P1和P2连接的AC-DC转换电路和滤波电路，其中AC-DC转换电路包括变压器T组成的降压电路和由整流二极管D4至D7组成的整流电路，滤波电路则由电子瞬态抑制二极管TVS、有极性电容E1和无极性电容C1并联而成，最终输出直流电压，即图1中的直流电压输入端V_IN，同时还设置有热敏电阻PTC和可变电阻RT来保护电路；其中，用电电路包括中央处理器，中央处理器的工作电压V_CPU可以为5V或3.3V。
在此基础，本实施例提供了一种终端设备掉电保护电路，包括掉电检测电路、后备电源和电压选择电路。
如图3所示，掉电检测电路包括第一电阻R1、稳压二极管DW、第二电阻R2、第三电阻R3、开关三极管Q和第四电阻R4；第一电阻R1的一端与直流电压输入端V_IN连接，第一电阻R1的另一端与稳压二极管DW的负极端连接，稳压二极管DW的正极端通过第二电阻R2与开关三极管Q的基极B连接，第三电阻R3位于开关三极管Q的基极B与发射极E之间；开关三极管Q的集电极C与终端设备的中央处理器的掉电检测输出引脚PB连接且通过第四电阻R4与工作电压V_CPU连接，开关三极管Q的发射极E接地。在市电AC正常时，直流电压输入端V_IN的直流电压经过第一电阻R1、第二电阻R2的分压之后到达开关三极管Q的基极B电压大于开关三极管Q的饱和开启电压，稳压二极管DW的标称电压小于直流电压输入端V_IN的直流电压。
如图1所示，后备电源包括稳压集成电路和法拉电容阵列，稳压集成电路的输入端与直流电压输入端V_IN连接，稳压集成电路的输出端与法拉电容阵列的正极端连接，法拉电容阵列的正极端与电压选择电路的输入端连接，电压选择电路用于根据输入端的两路电压选择电压值大的一路电压进行输出。
如图2所示，稳压集成电路包括稳压芯片U1、第一二极管D1和限流电阻R5和R6，稳压芯片U1的输入端与直流电压输入端V_IN连接，稳压芯片U1的接地端接地且与输出端V_10V并联一个无极性电容C1至C3，稳压芯片U1的输出端V_10V与第一二极管D1的正极端连接，第一二极管D1的负极端与限流电阻R5和R6连接，限流电阻R5和R6与法拉电容阵列的正极端连接。法拉电容阵列由四个2.7V的法拉电容EF1至EF4串联而成，每一个法拉电容EF1至EF4都分别并联连接有均压电阻R7至R10。电压选择电路包括第二二极管D2和第三二极管D3，法拉电容阵列的正极端与第二二极管D2的正极端连接，直流电压输入端V_IN与第三二极管D3的正极端连接。第二二极管D2的负极端与第三二极管D3的负极端同时通过直流输出滤波电路并联连接于直流电压输出端V_OUT，直流输出滤波电路由一个无极性电容C3和一个有极性电容和E2并联而成。在市电AC正常时，后备电源的输出电压小于直流电压输入端V_IN的直流电压。
在本实施例中，无极性电容C1至C3均为100uF；第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3的型号均为SS12；整流二极管D4至D7的型号均为IN400；稳压二极管DW的型号为CW10V-IN4104；有极性电容E1为RB2/5mm，100uF/50v；有极性电容E2为RB2.5/6.5mm，100uF/25v；法拉电容EF1至EF4均为RB2/4mm，4.7F/2.7v；热敏电阻PTC为20K510；开关三极管Q的型号为NPN8050-TO92；第一电阻R1至第三电阻R3的型号均为R0805，第一电阻R1的阻值为100R，第二电阻R2的阻值为1.5K，第三电阻R3的阻值为10K；第四电阻R4的型号为R0603，阻值为10K；限流电阻R5和R6的型号均为R1206，阻值为220R；均压电阻R7至R10的型号均为R0805，阻值为200K；可变电阻RT的型号为P560RM；变压器T为DB41K-220AC；电子瞬态抑制二极管TVS为SMBJ28CA，稳压芯片U1为LM7810。
其中，在市电AC正常时，由于直流电压输入端V_IN的直流电压大于稳压二极管DW的标称电压，从而击穿稳压二极管DW，由于直流电压输入端V_IN的直流电压大于开关三极管Q的饱和开启电压，使得开关三极管Q处于导通状态，开关三极管Q的集电极C所连接的掉电检测输出引脚PB为低电平，中央处理器接收识别该低电平，认可为正常上电状态。通过稳压集成电路来给法拉电容阵列充电，此时，法拉电容阵列的正极端最高可达10.8V小于直流电压输入端V_IN的直流电压，则第二二极管D2截止，第三二极管D3导通，此时，终端设备的供电电压即为直流电压输入端V_IN的直流电压，直流电压输入端V_IN的直流电压通过直流电压输出端V_OUT，再通过直流升降压电路，将形成整个终端设备所需要的各种电压水平的直流电源，比如5V、3.3V或1.8V；
当市电AC掉电时，直流电压输入端V_IN的直流电压也随即下降，当直流电压下降趋近于稳压二极管DW的标称电压时，就无法击穿稳压二极管DW，此时稳压二极管DW表现为二极管反向截止状态，电阻趋近于无穷大，相当于断路；由第三电阻R3来拉低开关三极管Q的基极B电压，使得开关三极管Q处于截止状态，此时，开关三极管Q的集电极C所连接的掉电检测输出引脚PB为高电平，中央处理器接收识别该高电平，开始轮询或中断触发一个紧急事件，之后开始执行掉电处理流程，马上存储必要的标志和数据，对***重要模块进行下电，以及向后台上行通信接口发送掉电事件报文，最后中央处理器进入关机状态。
在市电AC掉电时，直流电压输入端V_IN的直流电压会不断下降直到低于后备电源的输出电压，第二二极管D2导通，第三二极管D3截止，法拉电容阵列开始释放电能，使得终端设备的电源由后备电源供应，以保证终端设备能完成掉电处理流程。
综上所述，本发明提供的一种终端设备掉电保护电路，使用稳压二极管反向击穿工作状态并具备稳定击穿电压的特点，构成一个在市电供电出现问题时候，检测直流电压输入端下降情况，使得中央处理器能提前获知市电掉电，让终端设备的中央处理器拥有充足的时间执行掉电处理流程；同时设计有一个后备电源，以便在直流电压输入端的直流电压下降到足以影响到供电电路的直流电压输出端时，由法拉电容阵列接替直流电压输入端工作，释放备用电能，由两个并联的二极管进行电压输出信号的转换，以维持终端设备执行掉电流程所需要的能源，从而支持终端设备完成掉电处理流程，以保护终端设备。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：包括掉电检测电路、后备电源和电压选择电路，所述掉电检测电路包括稳压二极管和开关三极管；
所述稳压二极管的负极端与终端设备的供电电路的直流电压输入端连接，所述稳压二极管的正极端与所述开关三极管的基极连接，所述开关三极管的集电极分别与终端设备的中央处理器的掉电检测输出引脚和工作电压连接，所述开关三极管的发射极接地，在市电正常时，所述稳压二极管的标称电压和所述开关三极管的饱和开启电压均小于所述直流电压输入端的直流电压；
所述后备电源的正极端与所述直流电压输入端与所述电压选择电路的输入端连接，所述电压选择电路的输出端与所述供电电路的直流电压输出端连接，所述电压选择电路用于根据输入端的两路电压选择电压值大的一路电压进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述掉电检测电路还包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；
所述第一电阻的一端与所述直流电压输入端连接，所述第一电阻的另一端与所述稳压二极管的负极端连接，所述稳压二极管的正极端通过所述第二电阻与所述开关三极管的基极连接，所述第三电阻位于所述开关三极管的基极与发射极之间；
所述直流电压输入端的直流电压经过所述第一电阻、所述第二电阻的分压之后到达所述开关三极管的基极电压大于所述开关三极管的饱和开启电压。
3.根据权利要求2所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述开关三极管的集电极与所述工作电压之间还连接有第四电阻。
4.根据权利要求1所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述后备电源包括稳压集成电路和法拉电容阵列；
所述稳压集成电路的输入端与所述直流电压输入端连接，所述稳压集成电路的输出端与所述法拉电容阵列的正极端连接，所述法拉电容阵列的正极端与所述电压选择电路的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述稳压集成电路包括稳压芯片、第一二极管和限流电阻，所述稳压芯片与所述第一二极管的正极端连接，所述第一二极管的负极端与所述限流电阻连接，所述限流电阻与所述法拉电容阵列的正极端。
6.根据权利要求5所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述稳压芯片为LM7810，所述稳压二极管的标称电压为10V。
7.根据权利要求4所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述法拉电容阵列包括至少两个串联连接的法拉电容，每一个所述法拉电容都并联连接有均压电阻。
8.根据权利要求7所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述法拉电容阵列由四个2.7V的法拉电容串联而成。
9.根据权利要求1所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述电压选择电路包括第二二极管和第三二极管；
所述后备电源的正极端与所述第二二极管的正极端连接，所述直流电压输入端与所述第三二极管的正极端连接；
所述第二二极管的负极端与所述第三二极管的负极端同时连接于所述直流电压输出端；
在市电正常时，所述后备电源的输出电压小于所述直流电压输入端的直流电压。
10.根据权利要求9所述的一种终端设备掉电保护电路，其特征在于：所述第二二极管的负极端、所述第三二极管的负极端与所述供电电路的直流电压输出端之间还设置有直流输出滤波电路，所述直流输出滤波电路由一个无极性电容和一个有极性电容并联而成。
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