CN103645375B - 一种无基准源的电源超限检测模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无基准源的电源超限检测模块，其特点是，包括与电源连接的一上限检测子模块和一下限检测子模块；所述的上限检测子模块和下限检测子模块相同，各包括一电压取样电路、一电压比较电路、以及一掉电保护程序启动电路；电压取样电路的输入端与电源连接，该电压取样电路的输出端与电压比较电路的输入端电连接；该电压比较电路的输出端与掉电保护程序启动电路的输入端电连接；该掉电保护程序启动电路的输出端与系统的掉电保护电路电连接。本发明不使用基准源芯片，减少了相应的配套芯片，具有更低的故障失效率；过压和欠压预警信号输出，可以用来启动掉电保护程序。具有通用性强、体积小、功耗低、可靠性高的优点，尤其适合于24V供电电源的状态监测。

Description

一种无基准源的电源超限检测模块

技术领域

本发明涉及一种应用在冗余电源快速切换的无基准源电压超限检测模块。

背景技术

随着电子行业对产品稳定性、可靠性的要求越来越高，无论是工业级还是民用级的船用自动化产品都不再是简单的功能实现。可靠性、安全性越来越受到开发人员的重视。对于电子产品而言，供电电源是整个电子产品的生命源泉，电源的稳定可靠决定了电子产品的可用性，所以具有切换功能的电源处理电路可以很好的解决电源可靠性这一问题。

在以往的应用开发中，系统给各模块供电时，模块大都对系统电源进行了隔离，这样可以在一定范围内保证后端电源的稳定，但是在不同的环境和负载情况下，系统电源会产生波动，当波动幅度超过隔离电源设计要求时，负载会工作不正常，甚至不工作。这种情况下会导致产品的部分运行数据来不及保存或者一些控制过程突然被中断而导致外部设备的损坏。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的上述问题而研发的一种无基准源芯片的电压超限检测模块。该超限检测模块对于不同的报警限值可通过改变电阻值的大小来调节；不使用基准源芯片，减少了相应的配套芯片，具有更低的故障失效率；过压和欠压预警信号输出，可以用来启动掉电保护程序。具有通用性强，体积小，功耗低，可靠性高的优点，尤其适合于24V供电电源的状态监测。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种无基准源的电源超限检测模块，其特点是，包括与电源连接的一上限检测子模块和一下限检测子模块；所述的上限检测子模块和下限检测子模块相同，各包括一电压取样电路、一电压比较电路、以及一掉电保护程序启动电路；所述的电压取样电路的输入端与电源连接，该电压取样电路的输出端与所述的电压比较电路的输入端电连接；该电压比较电路的输出端与所述的掉电保护程序启动电路的输入端电连接；该掉电保护程序启动电路的输出端与系统的掉电保护电路电连接。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，其中，所述的上限检测子模块的电压取样电路由降压二极管D1和取样电阻R1～R4构成，所述的下限检测子模块电压取样电路由降压二极管D2和取样电阻R5～R8构成，其中：

经过R1和R2分压获得V1+；经过D1、R3和R4分压获得V1-；V1+和V1-是一组关联电压；

经过R5和R6分压获得V2-；经过D2、R7和R8分压获得V2+；V2+和V2-是一组关联电压。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，其中，所述的V1+和V1-是用来监测电源电压值过压情况；所述的V2+和V2-是用来监测电源电压值欠压情况。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，其中，所述的过压和欠压值的计算公式如下：

其中：

VCC为电源电压；

V₁₊和V_1-、V₂₊和V_2-为实时采样值；

V_D为二极管正向导通压降电压；

R1~R8为取样电阻。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，其中，

当时，电压比较电路输出高电平；

当时，电压比较电路输出高电平。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，其中，两所述的电压比较电路由一运算放大器U1构成。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，其中，所述的运算放大器为LM339芯片。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，所述的掉电保护程序启动电路主要各由一耦合器和两调节电阻构成；其中：所述的上限检测子模块的掉电保护程序启动电路由一耦合器U2和两调节电阻R11、R12构成，所述的下限检测子模块的掉电保护程序启动电路由一耦合器U3和两调节电阻R13、R14成。

上述一种无基准源的电源超限检测模块，其中，对于不同的检测限值可通过改变调节电阻的电阻值的大小来调节，计算公式如下：

其中：

V_上限为电源电压可能达到的上限值；

V_下限为电源电压可能达到的下限值；

R12和R14为确保电路导通时两光电隔离器的I/O1和I/O2端输出为0V时的阻值，至少采用1KΩ。

由于本发明采用了以上的技术方案，其产生的技术效果是明显的：

1、由于本发明一种无基准源的电源超限检测模块包括与电源连接的一上限检测子模块和一下限检测子模块；所述的上限检测子模块和下限检测子模块各包括电压取样电路、电压比较电路、以及启动掉电保护程序电路，因此无需另外转出一个稳定的基准源，直接由电源电压降压和分压。同一个电压源分压进行比较相对于和基准源比较可以增强抗干扰能力。处理器可以通过光电隔离电路读取比较器输出，启动掉电处理程序，满足了系统与模块的隔离要求。

2、通过对预警电压检测，在断电前处理掉电保护程序，能有效的防止外部设备损坏或重要信息的丢失，提高了产品的安全可靠性。

3、由于基准源芯片对输入电压有一定的要求，如要使用基准源本模块还要将电源转换为符合基准源芯片要求的电压，降低可靠性。而本发明无需电源提供基准源，因此大大提高了电路的可靠性。

附图说明

图1是本发明无基准源的电源超限检测模块的系统电方框图。

图2是本发明无基准源的电源超限检测模块的一种实施例的电原理图，其中a是上限检测子模块的电原理图；b是下限检测子模块的电原理图。

具体实施方式

下面以结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

请参阅图1。本发明一种无基准源的电源超限检测模块，包括与电源100连接的一上限检测子模块1和一下限检测子模块2，该上限检测子模块1和一下限检测子模块2的输出端与系统200的掉电保护电路201电连接。所述的上限检测子模块和下限检测子模块相同，为使描述简洁，现以上限检测子模块1为例进行详细的阐述：所述的上限检测子模块1包括一电压取样电路11、一电压比较电路12、以及一掉电保护程序启动电路13；所述的电压取样电路的输入端与电源连接，该电压取样电路的输出端与所述的电压比较电路的输入端电连接；该电压比较电路的输出端与所述的掉电保护程序启动电路的输入端电连接；该掉电保护程序启动电路的输出端与系统的掉电保护电路电连接。

本发明无基准源的电源超限检测模块的上限电压检测和下限电压检测的电压取样电路的取样原理相同，都是通过二极管饱和压降和不同的分压比例使同一电压源转换出了不同的电压值。电压比较电路（例如比较器）将不同的电压值进行电压比较，若其中+端电压值大于-端，电压比较电路输出VCC（点源电压值），反之比较器输出GND（0V）。最后由掉电保护程序启动电路（立体光隔离器件）将比较器输出的电压值转换为光能量，使光隔离器件的后端输出与前端相对应的结果，例如比较器输出VCC，则光隔离器件后端输出DVDD（5V），比较器输出0V，则光隔离器件后端输出0V。具体结果如下表：

例如：上限电压标称值为32V，下限电压标称值为15V：

下面以一具体的实施例来进一步说明本发明的特征和性能。

请参阅图2，图2是本发明无基准源的电源超限检测模块的一种实施例的电原理图，其中a是上限检测子模块的电原理图；b是下限检测子模块的电原理图。本发明一种无基准源的电源超限检测模块中，所述的上限检测子模块的电压取样电路由降压二极管D1和取样电阻R1～R4构成，所述的下限检测子模块电压取样电路由降压二极管D2和取样电阻R5～R8构成，其中：

经过R1和R2分压获得V1+；经过D1、R3和R4分压获得V1-；V1+和V1-是一组关联电压；

经过R5和R6分压获得V2-；经过D2、R7和R8分压获得V2+；V2+和V2-是一组关联电压。

其中，所述的V1+和V1-是用来监测电源电压值过压情况；所述的V2+和V2-是用来监测电源电压值欠压情况。V1+和V1-、V2+和V2-是实时的采样值。

该电路中的D1和D2选用正向导通压降为0.7V的二极管。

首先假定电源正常工作电压为24V，系统的电源处理模块工作范围是9～36Ｖ，设置过压报警限值为32V，欠压报警限值为15V。所述的过压和欠压值的计算公式如下：

其中：

VCC为电源电压；

V₁₊和V_1-、V₂₊和V_2-为实时采样值；

V_D为二极管正向导通压降电压；

当电源电压变化到超过设定的电源过压报警限值、或电源欠压报警限值时，V₁₊和V_1-的差值、V₂₊和V_2-的差值会发生质变，使得比较器输出电平变化；

R1~R8为取样电阻。

当时，电压比较电路输出高电平；

当时，电压比较电路输出高电平。

本发明所述的电压比较电路由一运算放大器U1构成，例如采用LM339芯片，该芯片的供电电压范围是5～36V，我们假设的VCC在15V～32V的范围，符合LM339的供电要求，因此电源波动不会影响到LM339的正常工作，输入端的电压要求不超过0.7VCC，由于之前的分压比例都小于0.7，因此输入端电压满足LM339的要求。

当时，比较器Out1输出高电平；

当时，比较器Out1输出高电平。

假定R3，R4，R7，R8固定都为1KΩ；二极管压降0.7V，则其余电阻的计算公式如下：

R2 =（0.5×VCC − 0.35）KΩ，

= （VCC-R2）KΩ，

R6 = （0.5×VCC – 0.35）KΩ，

R5 = （VCC – R6）KΩ，

其中R1和R2可以按相同比例放大或缩小，R5和R6也可以按相同比例放大或缩小。依据15V～32V的正常工作范围，计算得到R1=32.7KΩ，R2=31.3KΩ，R5=15.7KΩ，R6=14.3KΩ。

该电路的输出为out1和out2，正常电压范围内（15～32V）out1和out2输出值为VCC；低于15V时out2输出值变为0V，out1输出为VCC；高于32V时out1输出值变为0V，out2输出为VCC。

本发明所述的掉电保护程序启动电路主要各由一耦合器和两调节电阻构成；其中：所述的掉电保护程序启动电路主要各由一光电隔离器、一限流电阻以及一上拉电阻构成；其中：所述的上限检测子模块的掉电保护程序启动电路由一光电隔离器U2和一限流电阻R11、一上拉电阻R12构成，所述的下限检测子模块的掉电保护程序启动电路由一光电隔离耦合器U3和一限流电阻两调节电阻R13、一上拉电阻R14构成。所述的光电隔离器件U2和U3的前端由电压比较电路输出out1和out2来控制。当电压比较电路输出的电流IF1和IF2处于5～15mA时，I/O1和I/O2输出为0V；当前端电流IF1和IF2小于5mA时，I/O1和I/O2输出为DVDD电平。该电流控制由out1和out2的电压变化控制。可通过计算R11和R13的电阻值以满足此要求，计算公式如下：

。

V_上限为电源电压可能达到的上限值符号，V_下限为电源电压可能达到的下限值符号（注：此处电源电压上限及下限是可能达到的最大值，并非上限下限报警值）。

根据该公式，本实施例中，R11和R13的取值分别为：

R12和R14至少采用1KΩ，例如采用10KΩ，用来确保前端导通时I/O1和I/O2输出0V。

以24V系统为例，设定电源正常工作范围为15V~32V，则取值：R1=32.7KΩ，R2=31.3KΩ，R3=R4=1KΩ，R5=15.7KΩ，R6=14.3KΩ，R7=R8=1KΩ，R9=R10=10KΩ，R11=R13=1.5KΩ，R12=R14=10KΩ；

当电源超过32V时，I/O1和I/O2分别输出DVDD和0V；

当电源在15V～32V之间，I/O1和I/O2都输出0V；

当电源低于15V且高于9V时，I/O1和I/O2分别输出0V和DVDD；

利用这三种电平变化，系统的掉电保护电路可以通过采集电平方式判断何时进入掉电保护程序，也可以用与门输出一路I/O信号给处理器的外部中断触发掉电保护程序。

本发明超限检测模块对于不同的报警限值可通过改变电阻值的大小来调节；无需电源提供基准源，减少了相应的配套芯片，具有更低的故障失效率；过压和欠压预警信号输出，可以用来启动掉电保护程序。具有通用性强、体积小、功耗低、可靠性高的优点，尤其适合于24V供电电源的状态监测。

Claims (7)

1.一种无基准源的电源超限检测模块，其特征在于，包括与电源连接的一上限检测子模块和一下限检测子模块；所述的上限检测子模块和下限检测子模块相同，各包括一电压取样电路、一电压比较电路、以及一掉电保护程序启动电路；所述的电压取样电路的输入端与电源连接，该电压取样电路的输出端与所述的电压比较电路的输入端电连接；该电压比较电路的输出端与所述的掉电保护程序启动电路的输入端电连接；该掉电保护程序启动电路的输出端与系统的掉电保护电路电连接；

所述的上限检测子模块的电压取样电路由降压二极管D1和取样电阻R1～R4构成，所述的下限检测子模块电压取样电路由降压二极管D2和取样电阻R5～R8构成，其中：

经过R1和R2分压获得V1+；经过D1、R3和R4分压获得V1-；V1+和V1-是一组关联电压；所述的V1+和V1-是用来监测电源电压值过压情况；

经过R5和R6分压获得V2-；经过D2、R7和R8分压获得V2+；V2+和V2-是一组关联电压；所述的V2+和V2-是用来监测电源电压值欠压情况。

2.根据权利要求1所述的一种无基准源的电源超限检测模块，其特征在于，所述的过压和欠压值的计算公式如下：

其中：

VCC为电源电压；

V₁₊和V_1-、V₂₊和V_2-为实时采样值；

V_D为二极管正向导通压降电压；

R1～R8为取样电阻。

3.根据权利要求2所述的一种无基准源的电源超限检测模块，其特征在于，

当时，电压比较电路输出高电平；

当时，电压比较电路输出高电平。

4.根据权利要求1或3所述的一种无基准源的电源超限检测模块，其特征在于，两所述的电压比较电路由一运算放大器U1构成。

5.根据权利要求4所述的一种无基准源的电源超限检测模块，其特征在于，所述的运算放大器为LM339芯片。

6.根据权利要求1所述的一种无基准源的电源超限检测模块，其特征在于，所述的掉电保护程序启动电路主要各由一光电隔离器、一限流电阻和一上拉电阻构成；其中：

所述的上限检测子模块的掉电保护程序启动电路由一光电隔离器U2和一限流电阻R11、一上拉电阻R12构成，所述的下限检测子模块的掉电保护程序启动电路由一光电隔离耦合器U3和一限流电阻R13、一上拉电阻R14构成。

7.根据权利要求6所述的一种无基准源的电源超限检测模块，其特征在于，对于不同的检测限值可通过改变调节电阻的电阻值的大小来调节，计算公式如下：

其中：

V_上限为电源电压可能达到的上限值；

V_下限为电源电压可能达到的下限值；

R12和R14为确保电路导通时两光电隔离器的I/O1和I/O2端输出为0V时的阻值，至少采用1KΩ。