CN101841187B - 用于电子式电能表的电源管理供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电子式电能表的电源管理供电系统，包括弱电主供电回路、电源监控电路、掉电存数供电电路、电池供电电路、低功耗唤醒电路，还包括主控芯片低功耗管理电路，所述低功耗唤醒电路与主控芯片低功耗管理电路相连，主控芯片低功耗管理电路与所述弱电主供电回路相连，掉电存数供电电路及电池供电电路与弱电主供电回路连接，其中弱电主供电回路中的电源管理芯片采用多路输出DC/DC高效电源管理芯片，主电源芯片采用DC/DC高效电源芯片，掉电存数供电电路中的电源芯片采用DC/DC高效电源芯片，最终使弱电主供电回路始终有多路电源有效输出。本发明系统既能使高性能的芯片应用于电子式电能表，又能使电子式电能表在各供电工作模式下稳定工作。

Description

用于电子式电能表的电源管理供电系统
技术领域
本发明涉及一种用于电子式电能表的电源管理供电系统。
背景技术
现有的电表管理平台采用的芯片为单片机M16C/62P，供电系统比较简单，只有低功耗抄表模式。该系统一般由弱电主供电回路、低功耗唤醒电路、电池供电回路、掉电存数供电电路、电池监控电路及组成，其中弱电主供电回路：只有一路电源转换，由LDO芯片tps76933将5V转3.3V。低功耗唤醒电路只提供电平触发，给单片机M16C/62P一个中断信号，不需要硬件电路切换。电池供电回路：电池供电+6V与外部电路供电+5V之间的切换采用多路电路三极管切换，如：液晶模块供电、红外供电、内卡供电、CPU供电都分别有相应的切换电路。掉电存数供电电路：25V转5V电源芯片原采用LDO电源芯片。电源监控电路：用一路比较电路监控25V(相当于我们电表的12V)是否掉电，给单片机M16C/62P一个电平信号；电池监控电路采用比较器LM239，输出电平送至单片机M16C/62P一个电平信号。从现有的电能表的电源管理供电系统的构成可以看出其供电模式少，没有低功耗睡眠模式，无法满足高性能的芯片应用于电子式电能表。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电子式电能表的电源管理供电系统，该系统既能使高性能的芯片应用于电子式电能表，又能使电子式电能表在各供电工作模式下稳定工作。
本发明提供的这种用于电子式电能表的电源管理供电系统，包括弱电主供电回路、电源监控电路、掉电存数供电电路、电池供电电路、低功耗唤醒电路，还包括主控芯片低功耗管理电路，所述低功耗唤醒电路与主控芯片低功耗管理电路相连，主控芯片低功耗管理电路与所述弱电主供电回路相连，掉电存数供电电路及电池供电电路与弱电主供电回路连接，弱电主供电回路包括电源管理芯片、低压差电源芯片和主电源芯片，其中电源管理芯片采用多路输出DC/DC高效电源管理芯片，主电源芯片采用DC/DC高效电源芯片，掉电存数供电电路包括储能电容和电源芯片，该电源芯片采用DC/DC高效电源芯片，电源监控电路通过电压检测电路检测外部供电系统和掉电存数供电电路，在外部供电系统失效和掉电存数供电电路失效时切换至电池供电电路，最终使弱电主供电回路始终有多路电源输出。
所述DC/DC高效电源管理芯片为TPS650240RHBT、低压差电源芯片采用TPS73250DBVR，主电源芯片采用DC/DC高效电源芯片LM2830X。所述主控芯片低功耗管理电路利用ATMEL公司的AT91SAM9G20芯片集成的低功耗管理电路。掉电存数供电电路中储能电容的充电电压采用12V，电源芯片采用DC/DC高效电源芯片将电压转换为5.2V短时间给电子式电能表供电。低功耗唤醒电路采用按键或激光或采用外部供电系统上电唤醒电子式电能表。电源芯片采用DC/DC高效电源芯片LM2736X。
本发明由于弱电主供电回路中的电源管理芯片采用的是多路输出的DC/DC高效电源管理芯片，并且主电源芯片和掉电电路的电源芯片采用的是DC/DC高效电源芯片，加之电源监控电路对外部供电系统、掉电存数供电电路和电池供电电路的监控，最终使弱电主供电回路始终有多路电源有效输出。多路电源的输出使得电子式电能表的主控芯片能采用高性能的芯片，加快了电子式电能表向智能电表迈进的步伐。本发明主控芯片低功耗管理电路的增加，不仅使供电模式增加了睡眠模式，而且通过严密的监控电路控制，使得电子式电能表在各种供电工作模式下自身供电系统能高效安全稳定地工作。本发明能满足电子式电能表在外部供电系统失效时由电池供电实现抄表功能，能远程上报电池电量不足情况，能保存外部供电系统失效时的实时参数和负荷数据，确保电子式电能表计量数据的安全可靠性。各电路在设计过程中讲求逻辑缜密、配合紧密，其中最关键部分为软硬资源的有机结合、合理控制和巧妙运用，最终形成稳定可靠的电子式电能表的电源管理供电系统。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工作原理图；
图3是本发明的掉电存数电路和主供电回路中强电与弱电、AC/DC的转换电路：
图4是本发明的主供电回路中管理单元的供电电路和电源监控电路中5.2V掉电检测、电池切换电路；
图5是本发明的电源监控电路中12V上电与掉电检测电路；
图6是本发明的低功耗唤醒电路；
图7是本发明的主供电回路中计量单元的供电回路和电源监控电路中计量单元供电控制电路；
图8是本发明的主控芯片低功耗管理电路；
图9是本发明的电池供电电路中实时时钟电池供电电路和电源监控电路中实时时钟电池电量检测电路。
具体实施方式
由图1可知，本发明公开的这种用于电子式电能表的电源管理供电系统包括主供电回路，弱电主供电回路、电源监控电路、掉电存数供电电路、电池供电电路、低功耗唤醒电路以及主控芯片低功耗管理电路，其中主供电回路为电源监控电路、弱电主供电回路和掉电存数电路提供电源，弱电主供电回路是本系统的核心，它与掉电存数电路、电池供电电路、主控芯片低功耗管理电路相连，掉电存数电路在外部供电系统失效时给弱电主供电回路提供瞬时供电，确保电子式电能表的重要参数和数据不丢失，电池供电电路作为一种备份电源，在外部供电系统和掉电存数电路均失效的情况下给弱电主供电回路提供暂时供电，满足电子式电能表特殊重要电路不掉电，实现外部供电失效时仍具备抄表功能，同时也保证实时时钟的准确性，提高了电子式电能表计量数据的安全可靠性，弱电主供电回路与主控芯片低功耗管理电路相连，为主控芯片低功耗管理电路提供多路稳定工作电压，电源监控电路与主供电回路、电池供电电路相连，通过电压检测电路检测外部供电系统和掉电存数供电电路，在外部供电系统失效和掉电存数供电电路失效时切换至电池供电电路，最终使弱电主供电回路始终有多路电源输出，低功耗唤醒电路与主控芯片低功耗管理电路相连，为主控芯片低功耗管理电路提供系统工作模式切换(由SLEEP工作模式切换到抄表工作模式)的外部控制信号输入端口。
由图2可知，主供电回路是外部供电系统正常工作时的电子式电能表的供电回路，主供电回路主要由外部供电系统、滤波整流电路、开关电源、变压器等组成，其中开关电源采用单端反激式开关电源，由外部供电系统提供220V(辅助电源供电)或57.5V(PT供电)，经由整流、滤波、开关电源、变压器处理后，实现强电与弱电、AC/DC的转换，生成12V和5.2V，12V用于给掉电存数电路中的储能电容充电，5.2V为电源管理芯片TPS650240RHBT、低压差芯片TPS73250DBVR、主电源芯片LM2830X提供工作电压(参见图3)。掉电存数供电电路是一种短时供电电路，由12V储能电容和DC/DC电源芯片LM2736X组成，主供电回路对12V储能电容充电，当主供电回路出现供电异常时，12V充电电容放电，通过DC/DC电源芯片LM2736X将12V高效转换为5.2V，给系统瞬时供电，具体电路见图3，该电路具有很多优点，比如：既使电池供电无效时，也能确保管理平台实时保存电能表的重要参数和数据，并记录掉电事件和事故发生时外部供电电路的状态，当外部供电系统重新上电时，电能表上报掉电事件，同时上传掉电时的实时数据。该供电电路采用高性能电源芯片LM2736X，使得掉电存数时间延长至最少2S，极大的提高了数字式电能表数据的稳定性。弱电主供电回路由电源管理芯片TPS650240RHBT、主电源芯片LM2830X、低压差电源芯片TPS73250DBVR组成，电源管理芯片为主控芯片提供多路输入电压，主电源芯片和低压差电源芯片为主控芯片中的计量单元提供输入电压，其中电源管理芯片的三个使能端E1，E2，E3与主控芯片的nSHDW脚(低电平有效)相连，主电源芯片和低压差电源芯片的使能端EN与主控芯片的GPIO口相连，从而确保主控芯片对弱电主供电回路的调节和控制，合理分配系统电源，提高电源利用率。电源监控电路由5V掉电检测电路(见图4)、12V掉电检测电路(见图5)以及电池电量检测电路组成，是软件与硬件结合的枢纽，12V掉电检测，指示外部供电系统已失效，通知ARM管理平台做相关掉电处理，此时管理平台关断计量单元供电系统，具体电路见图5和图7；5.2V掉电检测，指示储能电容的电量耗尽，此时通过开关管自动切换至系统主电池供电，具体切换电路见图4，开关管采用了导通低压差的MOSFET管；电池电量检测，具体电路见图4和图9，主电池电压通过ARM的AD采样检测，系统实时时钟芯片RTC的电池电量通过电压比较电路检测，前者获得的数据为模拟量，后者获得的数据为数字量，故前者通过连续形式显示电量信息，而后者只能通知客户当前电量是高于还是低于某个电压值，具体设计值根据芯片的最低工作电压确定。此供电逻辑既充分利用储能电容的能量，又节省电池电量，同时还实现各电源的无缝切换，使弱电主供电回路始终有多路电源输出，是一种科学合理的监控模式。电池供电电路包括系统主电池供电电路和系统实时时钟芯片RTC电池供电电路，是一种应急供电系统，具体电路见图4，当外部供电系统失效时，掉电存数供电电路只能维持1.2S的时间，如果此时要求管理平台上传信息和数据，则需要备份电池给系统供电，当管理平台与上位机无业务时，系统进入Sleep模式，以延长备份电池的使用寿命。系统实时时钟必须保证准确可靠，芯片需要长时间供电，故实时时钟芯片配备电池，芯片内实现主电源供电和电池供电的切换，并且为主电源供电优先，有效延长电池的使用寿命。根据电源监控电路获得的监控数据，管理平台将电池当前状态实时显示在液晶屏上，同时上传给上位机，从而避免系统由于电池电量不足而掉电，进一步保障系统供电的稳定性。主控芯片低功耗管理电路是ARM内嵌的Sleep控制电路，对外控制引脚为nSHDN和nWAKEUP，具体电路见图4和图8。nSHDN脚为低电平有效的输出脚，通过三极管反向后连接电源管理芯片TPS650240RHBT的使能脚。为了增强该脚的抗干扰能力，实际电路设计中增加了一级驱动。ARM主控芯片根据合理逻辑控制电源管理芯片TPS650240RHBT，关断主电源的输出，使系统进入Sleep模式。nWAKEUP脚为低电平有效的输入脚，当nWAKEUP由于按键唤醒电路、激光唤醒电路、上电唤醒电路而置低时，nSHDN脚释放，系统主电源打开，管理平台恢复正常工作，此时使能TPS73250DBVR、LM2830X，打开计量单元供电电源。低功耗唤醒电路包括按键唤醒电路、激光唤醒电路、上电唤醒电路，具体电路见图5和图6。按键唤醒电路通过电能表面板按键将nWAKEUP脚置低，触发主控芯片低功耗管理电路的唤醒电路工作，nSHDN脚被释放而置高，使能电源管理芯片TPS650240RHBT，系统主电源恢复对管理平台的供电。同样，激光唤醒电路、上电唤醒电路的唤醒原理类似。激光唤醒电路主要是通过操作激光笔来导通光敏二极管，电路通过三极管反向后控制nWAKEUP脚置低。上电唤醒电路巧妙地通过稳压管钳位稳压，直接采用电阻网络采样12V电源，采样信号经三极管反向后控制nWAKEUP脚置低，该电路满足电子式电能表在外部供电系统恢复正常时从Sleep模式中唤醒，进入正常工作模式。
根据本发明公开的这种电子式电能表的电源管理供电系统的工作特点，将其工作状态分为四种工作模式，即正常供电模式，掉电存数供电模式，低功耗抄表模式和低功耗睡眠模式。正常供电模式是指外部供电系统正常工作时电子式电能表的供电状态；掉电存数模式是指外部供电系统失效而储能电容还能正常供电的电子式电能表的供电状态；低功耗抄表模式是指在外部供电系统和掉电存数供电电路均失效的情况下，电子式电能表的管理平台由系统主电池供电的供电状态；低功耗睡眠模式是指电子式电能表只给主控芯片集成的低功耗管理电路以及唤醒电路供电，该模式通过按键、激光和外部供电系统上电使电子式电能表被唤醒而进入其它工作模式。
本发明公开的这种电子式电能表的电源管理供电系统具体工作方式如下：
当主供电回路供电正常时，即正常供电模式，掉电存数电路中的储能电容保持充电，此时电池供电电路没有启用，电源监控电路开启，对主供电回路、掉电存数供电电路以及电池电量进行实时监控，并上报给管理平台，电路工作状态与主控芯片监控状态保持同步。当主供电回路供电出现异常时，即掉电存数供电模式，电源监控电路检测到12V掉电信号，触发主控芯片的GPIO口电平变换，通知管理平台由GPIO口关断TPS73250DBVR和LM2830X，掉电存数供电电路中的储能电容放电，通过电源芯片LM2736X将12V电压转换为5.2V电压给系统暂时供电(约能维持2秒)，以防主供电回路出现异常时给系统瞬时供电，确保管理平台实时保存电能表的重要参数和数据，并记录掉电事件和事故发生时外部供电电路的状态，掉电存数供电电路失效后(储能电容放电完毕)，系统进入低功耗抄表模式，电子式电能表自身电源通过开关管自动切换至主电池供电，同时电源监控电路检测电池电量，通过主控芯片将电量实时显示并上报电量，当管理平台与上位机无业务时，主控芯片内集成的低功耗管理电路被触发，电子式电能表只给主控芯片集成的低功耗管理电路以及唤醒电路供电，系统进入低功耗睡眠模式，以延长备份电池的使用寿命。当主供电回路恢复对系统供电时，nWAKEUP由于按键唤醒电路、激光唤醒电路、上电唤醒电路而置低，nSHDN脚释放，系统使能电源管理芯片TPS650240RHBT，同时也使能低压差电源TPS73250DBVR、主电源芯片LM2830X，打开计量单元供电电源，管理平台恢复正常工作，实时上报系统掉电时电能表的重要参数和数据，以及掉电事件和事故发生时外部供电电路的状态给上位机，系统进入正常供电模式。

Claims (6)

1.一种用于电子式电能表的电源管理供电系统，包括弱电主供电回路、电源监控电路、掉电存数供电电路、电池供电电路、低功耗唤醒电路，其特征在于还包括主控芯片低功耗管理电路，所述低功耗唤醒电路与主控芯片低功耗管理电路相连，主控芯片低功耗管理电路与所述弱电主供电回路相连，掉电存数供电电路及电池供电电路与弱电主供电回路连接，弱电主供电回路包括电源管理芯片、低压差电源芯片和主电源芯片，其中电源管理芯片采用多路输出DC/DC高效电源管理芯片，主电源芯片采用DC/DC高效电源芯片，掉电存数供电电路包括储能电容和电源芯片，该电源芯片采用DC/DC高效电源芯片，电源监控电路通过电压检测电路检测外部供电系统和掉电存数供电电路，在外部供电系统失效和掉电存数供电电路失效时切换至电池供电电路，最终使弱电主供电回路始终有多路电源有效输出。
2.根据权利要求1所述的用于电子式电能表的电源管理供电系统，其特征在于所述DC/DC高效电源管理芯片为TPS650240RHBT、低压差电源芯片采用TPS73250DBVR，主电源芯片采用DC/DC高效电源芯片LM2830X。
3.根据权利要求1或2所述的用于电子式电能表的电源管理供电系统，其特征在于所述主控芯片低功耗管理电路利用ATMEL公司的AT91SAM9G20芯片集成的低功耗管理电路。
4.根据权利要求1或2所述的用于电子式电能表的电源管理供电系统，其特征在于掉电存数供电电路中储能电容的充电电压采用12V，电源芯片采用DC/DC高效电源芯片将电压转换为5V短时间给电子式电能表供电。
5.根据权利要求1或2所述的用于电子式电能表的电源管理供电系统，其特征在于低功耗唤醒电路采用按键或激光或采用外部供电系统上电唤醒电子式电能表。
6.根据权利要求4所述的用于电子式电能表的电源管理供电系统，其特征在于电源芯片采用DC/DC高效电源芯片LM2736X。
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