CN105322781A - 一种无常电仪表的电源模块 - Google Patents

Abstract

本发明的名称为一种无常电仪表的电源模块。属于汽车电子控制技术领域。它主要是解决目前用于12V或24V仪表系统中，解决掉电后仪表系统指针保持掉电前瞬间的指示状态不变及液晶数据可靠保存的问题。它的主要特征是：仪表电源输入部分电路、12V或24V电源输入-5V电源输出电路、12V电源输入-5V电源输出电路、双-单电源选择电路、仪表电源掉电监测电路；仪表电源输入部分电路的输出分别与12V或24V电源输入-5V电源输出电路、12V电源输入-5V电源输出电路和仪表电源掉电监测电路的输入端连接；12V或24V电源输入-5V电源输出电路的输出端通过电阻与12V电源输入-5V电源输出电路的输出端连接。本发明具有功能模式兼容、双-单电源选择输出的特点，主要用于仪表系统供电。

Description

一种无常电仪表的电源模块

技术领域

本发明属于汽车电子控制技术领域。具体涉及一种无常电仪表的电源模块。

背景技术

随着汽车电子技术的发展和进步，对整车工况判断的正确性及相关信号处理的准确性和精确性要求越来越高。汽车仪表系统作为车身电子系统的重要组成部分，它涉及整车信号处理、故障报警指示和整车工况显示，是驾驶员与整车之间的人机界面。而电源模块作为仪表系统的“心脏”，其工作的稳定性、可靠性直接关系到仪表系统能否正常工作，故对汽车仪表系统电源模块的设计尤为重要。

本发明具体所处的技术背景为：应某整车客户要求，为其出国农机产品设计两款仪表，两款仪表外形相似但功能不同，一款为12V系统，另一款为24V系统，均无常电，均带有水温表、油量表、转速表三个表头和显示发动机累计工作时间的液晶屏。设计输入中要求，关闭点火钥匙，仪表需保存发动机累计工作时间数据，水温表、油量表、转速表三个表头指针需保持关闭点火钥匙瞬间的指示状态不变，为下次启动提供“记忆”数据参考。

分析上述技术背景，不难发现，该类无常电仪表与常见的汽车仪表有如下几点功能差异：一、无常电。二、掉电后，液晶显示的发动机相关数据要保存，但指针不回零。进一步分析如下：一、关闭点火钥匙，仪表需保存发动机累计工作时间数据，这要求关闭点火钥匙瞬间，仪表仍要有能量来源，即仪表电源模块仍要保持有电能输出状态。二、关闭点火钥匙，水温表、油量表、转速表三个表头指针需保持关闭点火钥匙瞬间的指示状态不变。这要求关闭点火钥匙之后，仪表步进电机不工作。对仪表系统来讲，数据的保存和步进电机的驱动都是通过微控制器（MCU）完成，而在软件模式固定的条件下，常规来讲，一种硬件状态要同时实现上述两种功能很困难。

目前解决上述问题主要通过软件技术手段，大致过程如下：在关闭点火钥匙瞬间，仪表系统掉电检测模块检测到点火钥匙关闭，立即给仪表系统微控制器（MCU）一个点火钥匙关闭信号，微控制器（MCU）接收到点火钥匙关闭信号后，立即发出发动机累计工作时间数据保存指令和水温表、油量表、转速表三个表头驱动信号关闭指令，以保存发动机累计工作时间数据同时防止水温表、油量表、转速表三个表头指针回零。以上过程在us或ms级时间内完成。

考虑到未来汽车仪表掉电后指针回零的主流趋势特点以及解决上述问题软件技术的特殊性而存在的风险，特从硬件设计角度解决上述问题。鉴于上述情况，一种无常电仪表的电源模块设计须具备如下基本特点：一、工作的可靠性。即采用该电源模块后，关闭点火钥匙，仪表能够可靠的保存发动机累计工作时间数据，而且水温表、油量表、转速表三个表头指针能够可靠保持关闭点火钥匙瞬间的指示状态不变。二、良好的环境适应性。即农用车在各种恶劣的工作环境下，该电源模块都能适应，以保证仪表正常工作。另外，对比两款仪表的相关特点，系列化设计电源模块，可缩短设计周期、简化生产流程以及方便后期维护。

发明内容

本发明的目的就是针对上述背景问题而设计了一种无常电仪表的电源模块。本发明的设计策略为：仪表系统仍沿用目前已很成熟的掉电指针回零的软件处理方法，电源模块以仪表电源12V或24V为输入，在点火钥匙开启过程中，电源模块的5V输出为仪表系统的微控制器（MCU）和采样模块供电，同时电源模块自身充电，存储电能。点火钥匙关闭瞬间，仪表电源掉电监测电路监测到仪表电源断电，在电源模块利用自身存储的电能继续输出为仪表系统的微控制器（MCU）和采样模块供电的过程中，仪表系统的微控制器（MCU）以最快速度保存发动机累计工作时间数据，同时利用步进电机自身的静态力矩消耗电源模块的多余电能，保证水温表、油量表、转速表三个表头指针能够可靠保持关闭点火钥匙瞬间的指示状态不变。

本发明的技术解决方案是：一种无常电仪表的电源模块，其特征在于：包括仪表电源输入部分电路、12V或24V电源输入-5V电源输出电路、12V电源输入-5V电源输出电路、双-单电源选择电路、仪表电源掉电监测电路；其中，仪表电源输入部分电路分别与12V或24V电源输入-5V电源输出电路、12V电源输入-5V电源输出电路、双-单电源选择电路的输入端连接；12V或24V电源输入-5V电源输出电路、12V电源输入-5V电源输出电路的输出端分别与双-单电源选择电路的输入端连接；仪表电源掉电监测电路的输出端与仪表系统的微控制器的掉电监测引脚连接。

本发明的技术解决方案中所述的仪表电源输入部分电路由12V或24V仪表电源、第一二极管、瞬态电压抑制二极管、第一保险丝、第二保险丝构成，其中，第一保险丝与第二保险丝并联的输入端、第一二极管负极端、瞬态电压抑制二极管负极端连接，第一二极管正极端与12V或24V仪表电源连接。仪表电源先通过第一二极管防反接保护，再经过瞬态电压抑制二极管抑制浪涌电压，然后经过第一保险丝与第二保险丝并联构成的熔断保护网络，输出至12V或24V电源输入-5V电源输出电路、12V电源输入-5V电源输出电路和仪表电源掉电监测电路的输入端。

本发明的技术解决方案中所述的12V或24V电源输入-5V电源输出电路由第二二极管、第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八电解电容、第一贴片电容、第一集成电源芯片、第一稳压二极管、第一交流扼流线圈、第十、第十一电解电容、第二、第三贴片电容和第二稳压二极管构成；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八电解电容、第一贴片电容并联，输入端与第二二极管负极连接，输出端与第一集成电源芯片连接；第一稳压二极管、第一交流扼流线圈串联后与第十、第十一电解电容、第二、第三贴片电容和第二稳压二极管并联，第一稳压二极管与第一交流扼流线圈的连接点与第一集成电源芯片连接。该电路的输入先经过第二二极管防反接保护，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八电解电容和第一贴片电容并联组成的储能、滤波网络，输出至第一集成电源芯片，第一集成电源芯片后先经过第一稳压二极管稳压，再经过第一交流扼流线圈滤除交流杂波，然后经过第十、第十一电解电容和第二、第三贴片电容并联组成的滤波网络滤波，滤波后再经过第二稳压二极管稳压后输出。

本发明的技术解决方案中所述的12V电源输入-5V电源输出电路由第九电阻、第十六电解电容、第四贴片电容、第二电源集成芯片、第五和第六贴片电容构成。

本发明的技术解决方案中所述的双-单电源选择电路由12V或24V电源输入-5V电源输出电路的5V电源、12V电源输入-5V电源输出电路的5V电源和第十电阻构成。

本发明的技术解决方案中所述的仪表电源掉电监测电路由第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第十四电容、第十五电容、第一晶体管、第二晶体管和5V电源构成。其中，第三电阻和第十四电容串联组成第一级滤波网络；第一晶体管、第四电阻、第六电阻组成第一级开关电路；第五电阻和第十五电容串联组成的第二级滤波网络；第二晶体管、第七电阻、第八电阻组成第二级开关电路。

本发明主要有如下特点：一、另辟蹊径，采用硬件方法解决了软件问题。二、采用前瞻性设计思想，设计了双电源选择输出模式，可根据市场客户的需求适时调整切换，在确保功能实现的前提下，实现了电路的兼容性。三、电路设计模块化、12V和24V仪表设计系列化，缩短了设计周期、简化了生产工艺和流程。四、采用了某些特殊试验方法进行试验验证，保证了该系列仪表电源模块功能的安全可靠性。从批量供货后客户反映的情况来看，在同类产品中，该系列仪表稳定性好，受到了用户的好评，从而极大地提高了我司产品的市场竞争力。

本发明主要用于无常电仪表的电源模块。

附图说明

图1是本发明电源模块的原理框架图。

图2是本发明电源模块的仪表电源输入部分电路方案图。

图3是本发明电源模块的12V或24V电源输入-5V电源输出电路方案图。

图4是本发明电源模块的12V电源输入-5V电源输出电路方案图。

图5是本发明电源模块的双-单电源选择电路方案图。

图6是本发明电源模块的仪表电源掉电监测电路方案图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述：

本发明电源模块的原理框架图如图1所示。仪表电源输入部分电路1-1分别与12V或24V电源输入-5V电源输出电路1-2的输入端、12V电源输入-5V电源输出电路1-3的输入端和仪表电源掉电监测电路1-5的输入端连接。12V或24V电源输入-5V电源输出电路1-2的5V输出端通过双-单电源选择电路1-4与12V电源输入-5V电源输出电路1-3的5V输出端连接。仪表电源掉电监测电路1-5的输出端与仪表系统的微控制器的掉电监测引脚连接。本发明采用了前瞻性、兼容性的设计方案，并使用了以集成电源芯片、晶体管为核心的电子器件。在要求仪表指针掉电不回零的情况下，开放使用12V或24V电源输入-5V电源输出电路，同时12V或24V电源输入-5V电源输出电路中某些电解电容、12V电源输入-5V电源输出电路中所有元器件不焊接便可满足功能要求，此种情况下，12V或24V电源输入-5V电源输出电路的5V输出与仪表系统的微控制器（MCU）和采样模块的5V输入端连接。若以后客户要求仪表指针掉电回零，对于12V仪表系统，同时开放使用两路12V电源输入-5V电源输出电路即可满足功能要求，此种情况下，第一路电源的输出端与仪表系统微控制器（MCU）的5V输入端连接，第二路电源的输出端与仪表系统采样模块的5V输入端连接。对于24V仪表系统，开放使用24V电源输入-5V电源输出电路即可满足功能要求，此种情况下，24V电源输入-5V电源输出电路的5V输出与仪表系统的微控制器（MCU）和采样模块的5V输入端连接。

仪表电源输入部分电路1-1如图2所示。此部分电路1-1由仪表电源（12V或24V）、第一二极管D1、瞬态电压抑制二极管D2、第一保险丝R1、第二保险丝R2构成。其中，第一保险丝R1与第二保险丝R2并联，其输入端与第一二极管D1、瞬态电压抑制二极管D2的负极端连接，第一二极管D1的正极端与仪表电源（12V或24V）连接，瞬态电压抑制二极管D2的正极端接地。瞬态电压抑制二极管D2的型号需根据12V或24V仪表系统做相应选择。第一保险丝R1和第二保险丝R2必须考虑到电源模块的最大输出电流等参数，而且保险丝必须采用可熔断式保险丝。

12V或24V电源输入-5V电源输出电路1-2如图3所示。该电路1-2由第二二极管D3、第一电解电容C1、第二电解电容C2、第三电解电容C3、第四电解电容C4、第五电解电容C5、第六电解电容C6、第七电解电容C7、第八电解电容C8、第一贴片电容C9、第一集成电源芯片J1、第一稳压二极管D4、第一交流扼流线圈L1、第九电解电容C10、第十电解电容C11、第二贴片电容C12、第三贴片电容C13和第二稳压二极管D5构成。其中，该电路中，第一集成电源芯片J1的型号为LM2574N-5G。作为该电路12V或24V电源输入部分，第二二极管D3正极端与仪表电源输入部分电路1-1的输出端连接。第一电解电容C1、第二电解电容C2、第三电解电容C3、第四电解电容C4、第五电解电容C5、第六电解电容C6、第七电解电容C7、第八电解电容C8和第一贴片电容C9并联组成电容网络，电容网络的一端与第二二极管D3负极端、第一集成电源芯片J1的4端连接，电容网络的另一端与第一集成电源芯片J1的1、3、5、6、7端连接，并且都接地。作为该电路5V电源输出部分，第一稳压二极管D4的负极端与第一交流扼流线圈L1的一端连接，第一交流扼流线圈L1的另一端与第九电解电容C10、第十电解电容C11、第二贴片电容C12和第三贴片电容C13并联组成的电容网络的一个公共端相连，并且该公共端与第二稳压二极管D5的负极端相连后都接+5V电源。第一稳压二极管D4的正极端、电容网络的另一个公共端和第二稳压二极管D5的正极端相连，并且最后接地。作为本发明的核心，作为缓冲、储能作用的第一电解电容C1、第二电解电容C2、第三电解电容C3、第四电解电容C4、第五电解电容C5、第六电解电容C6、第七电解电容C7和第八电解电容C8，以及作为滤波作用的第一贴片电容C9，其耐压值、容量、电容焊接个数等设计参数必须考虑仪表电源的输入以及仪表的功能要求，对于12V或24V仪表系统，在设计要求仪表掉电指针回零和不回零的情况下，上述电容的耐压值、容量和焊接个数有较大差异，具体参数需通过理论计算后，再进行耐久、耐冲击、耐高低温等试验加以辅证。第一集成电源芯J1的选取考虑了该路电源的控制逻辑、转换效率、最大输出电流等功能需求。另外，无论12V或24V仪表系统，无论设计要求仪表掉电指针是否回零，该电路的输出部分可以通用。

12V电源输入-5V电源输出电路1-3如图4所示。该电路1-3由第九电阻R9、第十一电解电容C16、第四贴片电容C17、第二电源集成芯片J2、第五贴片电容C18和第六贴片电容C19构成。其中，第二集成电源芯片J2采用型号为L7805CV的三端稳压线性电源芯片。第十一电解电容C16与第四贴片电容C17并联的一端与第二电源集成芯片J2的1端、第九电阻R9的一端连接，第十一电解电容C16与第四贴片电容C17并联的另一端与第二电源集成芯片J2的2端连接后接地，第九电阻R9的另一端与仪表电源输入部分电路1-1的输出端连接。第五贴片电容C18和第六贴片电容C19并联组成的电容网络的一端与第二电源集成芯片J2的3端连接后输出Vref，电容网络的另一端接地。由于此部分电路是固定的12V电源输入-5V电源输出，故第十一电解电容C16、第四贴片电容C17、第五贴片电容C18和第六贴片电容C19的耐压值固定，至于第二电源集成芯片J2的选取，除了考虑转换效率、最大输出电流、散热等功能性参数之外，本发明择优选取了价格相对低廉的三端稳压线性电源芯片。

双-单电源选择电路1-4如图5所示。该电路1-4由12V或24V电源输入-5V电源输出电路的5V电源、12V电源输入-5V电源输出电路的5V电源和第十电阻R10构成。根据功能需求，可选择单电源或双电源供电模式。

结合图3、图4和图5，针对本发明的关键部分，做详细说明如下：一、对于目前客户要求的仪表掉电指针不回零，但液晶显示的发动机工作小时计数据需保存的情况。对于12V仪表系统，12V或24V电源输入-5V电源输出电路1-2中第三电解电容C3、第四电解电容C4、第五电解电容C5、第六电解电容C6和第七电解电容C7不焊，其余器件焊接；12V电源输入-5V电源输出电路1-3中所有器件不焊；双-单电源选择电路1-4中第十电阻R10焊接。对于24V仪表系统，12V或24V电源输入-5V电源输出电路1-2中第二电解电容C2、第三电解电容C3、第四电解电容C4、第五电解电容C5、第六电解电容C6和第七电解电容C7不焊，其余器件焊接；12V电源输入-5V电源输出电路1-3中所有器件不焊；双-单电源选择电路1-4中第十电阻R10焊接。二、假若以后客户要求仪表掉电指针回零，但液晶显示的发动机工作小时计数据仍需保存。对于12V仪表系统，12V或24V电源输入-5V电源输出电路1-2中所有器件焊接；12V电源输入-5V电源输出电路1-3中所有器件焊接；双-单电源选择电路1-4中第十电阻R10不焊。对于24V仪表系统，12V或24V电源输入-5V电源输出电路1-2中所有器件焊接；12V电源输入-5V电源输出电路1-3中所有器件不焊；双-单电源选择电路1-4中第十电阻R10焊接。需要说明的是，在情况一或情况二下，对于12V仪表系统和24V仪表系统，不仅上述器件焊接有区别，而且器件规格和参数不一样，这是由于仪表电源输入不一样造成的。在以上两种情况下，假如所述器件的规格、参数或焊接个数未计算验证准确和充分，就很可能导致液晶显示的发动机工作小时计数据全部丢失或间断性丢失，仪表掉电指针有回零动作但又回不到零位这些不符合客户设计要求的现象。

仪表电源掉电监测电路1-5如图6所示。该电路1-5由第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第十四电容C14、第十五电容C15、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和5V电源构成。其中，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第十四电容C14、第一晶体管Q1构成第一级开关电路，第七电阻R7、第八电阻R8、第十五电容C15、第二晶体管Q2构成第二级开关电路。根据方案图可知，当仪表电源有电时，U2=R4/（R3＋R4）×U1,当U2大于第一晶体管Q1的开启电压时，第一晶体管Q1导通，第一晶体管Q1的集电极输出低电平U3，而U4=R7/（R5＋R7）×U3，此时第二晶体管Q2截止，第二晶体管Q2的集电极输出高电平INT1，仪表系统的微控制器（MCU）采集到INT1的高电平状态，仪表系统就进入正常的工作模式；反之，若仪表电源断电，U2=0V，第一晶体管Q1截止，断电瞬间由于5V电源输出会继续延续一段时间，第一晶体管Q1的集电极输出高电平U3，第二晶体管Q2导通，第二晶体管Q2的集电极输出低电平INT1，仪表系统的微控制器（MCU）在连续几个采样周期（us或ms级）内，连续采集到INT1的低电平状态，仪表系统就进入掉电后的短暂工作模式，快速执行数据保存和指针回零相关指令。根据以上分析可知，当仪表电源有电时，对于12V仪表系统和24V仪表系统，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第七电阻R7的规格参数不一样。在仪表电源输入不一样的情况下，要保证第一晶体管Q1和第二晶体管Q2绝对导通或截止，以及第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第七电阻R7器件本身的安全，这是必要的。同时，由于在12V仪表系统和24V仪表系统下，第三电阻R3和第五电阻R5的器件参数不一样，第三电阻R3与第十四电容C14组成的滤波网络、第五电阻R5与第十五电容C15组成的滤波网络中，第十四电容C14和第十五电容C15的规格参数也需做相应的选取。以上情形一经计算和实验验证充分，不同功能模式下的相关设计参数即可固化，电源模块使用时适情选择设计参数即可。

Claims (6)

1.一种无常电仪表的电源模块，其特征在于：包括仪表电源输入部分电路（1-1）、12V或24V电源输入-5V电源输出电路（1-2）、12V电源输入-5V电源输出电路（1-3）、双-单电源选择电路（1-4）、仪表电源掉电监测电路（1-5）；其中，仪表电源输入部分电路（1-1）分别与12V或24V电源输入-5V电源输出电路（1-2）、12V电源输入-5V电源输出电路（1-3）、双-单电源选择电路（1-4）的输入端连接；12V或24V电源输入-5V电源输出电路（1-2）、12V电源输入-5V电源输出电路（1-3）的输出端分别与双-单电源选择电路（1-4）的输入端连接；仪表电源掉电监测电路（1-5）的输出端与仪表系统的微控制器的掉电监测引脚连接。

2.据权利要求1所述的一种无常电仪表的电源模块，其特征在于：所述的仪表电源输入部分电路（1-1）由12V或24V仪表电源、第一二极管、瞬态电压抑制二极管、第一保险丝、第二保险丝构成；其中，第一保险丝与第二保险丝并联的输入端、第一二极管负极端、瞬态电压抑制二极管负极端连接；第一二极管正极端与12V或24V仪表电源连接。

3.据权利要求1或2所述的一种无常电仪表的电源模块，其特征在于：所述的12V或24V电源输入-5V电源输出电路由第二二极管、第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八电解电容、第一贴片电容、第一集成电源芯片、第一稳压二极管、第一交流扼流线圈、第十、第十一电解电容、第二、第三贴片电容和第二稳压二极管构成；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八电解电容、第一贴片电容并联，输入端与第二二极管负极连接，输出端与第一集成电源芯片连接；第一稳压二极管、第一交流扼流线圈串联后与第十、第十一电解电容、第二、第三贴片电容和第二稳压二极管并联，第一稳压二极管与第一交流扼流线圈的连接点与第一集成电源芯片连接。

4.据权利要求1或2所述的一种无常电仪表的电源模块，其特征在于：所述的12V电源输入-5V电源输出电路由第九电阻、第十六电解电容、第四贴片电容、第二电源集成芯片、第五和第六贴片电容构成。

5.据权利要求1或2所述的一种无常电仪表的电源模块，其特征在于：所述的双-单电源选择电路由12V或24V电源输入-5V电源输出电路的5V电源、12V电源输入-5V电源输出电路的5V电源和第十电阻构成。

6.据权利要求1或2所述的一种无常电仪表的电源模块，其特征在于：所述的仪表电源掉电监测电路由第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第十四电容、第十五电容、第一晶体管、第二晶体管和5V电源构成；其中，第三电阻和第十四电容串联组成第一级滤波网络；第一晶体管、第四电阻、第六电阻组成第一级开关电路；第五电阻和第十五电容串联组成的第二级滤波网络；第二晶体管、第七电阻、第八电阻组成第二级开关电路。