CN105807885B - 一种掉电保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种掉电保护方法，用于在设备失去外部电源时对所述设备进行保护，所述设备包括控制单元、第一功能单元、以及第二功能单元，所述方法包括：在掉电保护第一阶段，将所述设备的电压与第一阈值比较，当所述电压低于所述第一阈值时，使得所述第一功能单元停止供电，以及在掉电保护第二阶段，将所述电压与第二阈值比较，当所述电压低于所述第二阈值时，使得所述控制单元停止操作，并且使得所述第二功能单元进行操作。还提供了一种用于掉电保护的装置，以及支持掉电保护的设备。

Description

一种掉电保护方法及装置

技术领域

本发明涉及一种掉电保护方法及装置，并更具体地涉及一种用于在设备失去外部电源时对设备进行保护的掉电保护方法及用于掉电保护的装置。

背景技术

对于外部电源的设备，掉电保护是一项必备的功能，用于在设备失去外部电源时对设备进行保护，以便于在外部电源恢复时设备能够重新正常工作。

一般来说，用于实施设备掉电保护的常见方法是依靠电池或者大电容，辅助于软件和硬件的设施，使得设备在失去外部电源后能妥善地备份好重要运行数据，复位一些关键电路，为失去电源之后的系统安全以及外部电源重新恢复后设备能够正确运行做好准备。现有技术中常见的针对设备掉电保护的处理方法如图1所示。由设备的控制单元(例如MCU，MPU等)对电源电压进行采样，当设备开始失去外部电源时，电容器开始放电，替代外部电源为电路运行提供供电，这时设备的电源电压开始逐渐下降，一旦采样的电源电压下降到低于阈值，控制单元对设备的关键数据进行备份，以及复位一些关键电路，确保在外部电源重新恢复之后，设备能够正确工作。其中，在最后一步“复位关键电路”环节中，控制单元发出“复位”指令之后，后续的工作根本不需要控制单元的参与，控制单元处于闲置状态，但是维持控制单元的运行却需要消耗电容的能量。特别是，当前的控制单元电路因为运行速率高，自身功耗比较高，会达到1W之多。电容的储能大小与电压平方成正比，而在最后的这一环节时电容电压已经很低了，但是维持复位关键电路需要一定的时间和电压，这些都需要提高电容值作为代价，与此同时，也需要体积更大的电容器。这样的问题不仅降低了能量的利用率，也造成了设备的体积大的缺陷。

发明内容

鉴于此，本公开提出了一种掉电保护方法以及用于掉电保护的装置，其用于在设备失去外部电源时能够及时保存关键数据以及进行关键操作，以便在外部电源重新恢复时能够正确地工作。通过本公开的掉电保护方法以及用于掉电保护的装置，能够在掉电保护过程中提高能量的利用率，同时能够减小设备体积。

根据本公开的第一方面，提供了一种掉电保护方法，用于在设备失去外部电源时对所述设备进行保护，所述设备包括控制单元、第一功能单元、以及第二功能单元，所述方法包括：在掉电保护第一阶段，将所述设备的电压与第一阈值比较，当所述电压低于所述第一阈值时，使得所述第一功能单元停止供电，以及在掉电保护第二阶段，将所述电压与第二阈值比较，当所述电压低于所述第二阈值时，使得所述控制单元停止操作，并且使得所述第二功能单元进行操作。

根据本公开的第一方面的一个实施例，其中所述第一功能单元包括通信电路和/或单稳态继电器，并且/或者所述第二功能单元包括双稳态继电器。

根据本公开的第一方面的一个实施例，其中在所述掉电保护第二阶段，使得所述双稳态继电器被复位为打开状态。

根据本公开的第一方面的一个实施例，所述方法还包括在所述掉电保护第一阶段，记录所述设备的状态信息。

根据本公开的第一方面的一个实施例，其中所述状态信息包括下列一项或多项：所述设备的故障信息、所述设备在失去外部电源时的电流、电压、功率、电量、热容和/或温度。

根据本公开的第一方面的一个实施例，其中在所述掉电保护第二阶段，使得所述第一功能单元保持停止供电的状态。

根据本公开的第一方面的一个实施例，其中所述第一阈值大于所述第二阈值。

根据本公开的第一方面的一个实施例，其中所述掉电保护第一阶段的持续时间至少为2ms，并且所述掉电保护第二阶段的持续时间至少为40ms。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于掉电保护的装置，用于在设备失去外部电源时对所述设备进行保护，所述设备包括第一功能单元和第二功能单元，所述装置包括：控制单元，被配置为在掉电保护第一阶段将所述设备的电压与第一阈值比较，当所述电压低于第一阈值时，使得所述第一功能单元停止供电，以及比较单元，被配置为在掉电保护第二阶段将所述电压与第二阈值比较，当所述电压低于第二阈值时，使得所述控制单元停止操作，并且使得所述第二功能单元进行操作。

根据本公开的第二方面的一个实施例，其中所述第一功能单元包括通信电路和/或单稳态继电器，所述第二功能单元包括双稳态继电器，并且/或者所述比较单元包括比较器。

根据本公开的第二方面的一个实施例，其中所述比较单元被配置为在所述掉电保护第二阶段使得所述双稳态继电器被复位为打开状态。

根据本公开的第二方面的一个实施例，所述装置还包括存储单元，其中所述控制单元被配置为在所述掉电保护第一阶段向所述存储单元写入所述设备的状态信息。

根据本公开的第二方面的一个实施例，其中所述状态信息包括下列一项或多项：所述设备的故障信息、所述设备在失去外部电源时的电流、电压、功率、电量、热容和/或温度。

根据本公开的第二方面的一个实施例，其中所述比较单元被配置为在所述掉电保护第二阶段使得所述第一功能单元保持停止供电的状态。

根据本公开的第二方面的一个实施例，其中所述第一阈值大于所述第二阈值。

根据本公开的第二方面的一个实施例，所述装置还包括供电单元，被配置为使得所述掉电保护第一阶段的持续时间至少为2ms，并且使得所述掉电保护第二阶段的持续时间至少为40ms。

根据本公开的第二方面的一个实施例，其中所述供电单元包括电容器和/或电池。

根据本公开的第三方面，提供了一种支持掉电保护的设备，所述设备包括用于掉电保护的装置。

本公开提供了一种掉电保护方法及用于掉电保护的装置，能够设备失去外部电源时进行保护以便在外部电源恢复时设备能正确工作，其通过多套电路协同工作，分级分时恰当地切断无关的负载电路的供电，从而有效地提高能量的利用率，减小电容器的额定值，减小设备的体积。

附图说明

现将仅通过示例的方式，参考所附附图对本公开的实施例进行描述，其中：

图1示例性地图示了现有技术中掉电保护方法的流程图；

图2示例性地图示了根据本公开一个实施例的用于掉电保护的装置的模块图；

图3示例性地图示了根据本公开一个实施例的掉电保护方法的流程图；以及

图4示例性地图示了根据本公开一个实施例的掉电保护方法的时序图。

具体实施方式

现将结合附图对本公开的实施例进行具体的描述。应当注意的是，附图中对相似的部件或者功能组件可能使用同样的数字标示。所附附图仅仅旨在说明本公开的实施例。本领域的技术人员可以在不偏离本公开精神和保护范围的基础上从下述描述得到可替换技术方案。

图2示例性地图示了根据本公开一个实施例的用于掉电保护的装置的模块图。如图所示，设备50由外部电源提供供电，作为实例，设备50可以是工业中常用的马达保护器。设备50也可以是其他的依靠外部电源供电进行操作的任何电气设备。在一个实例中，设备50包括掉电保护装置10、第一功能单元51、和第二功能单元52。掉电保护装置10进一步包括供电单元11、控制单元12、电压检测电路13、和比较单元14。

供电单元11在图2中示出为电容器，该电容器并联在外部电源的输入处，在设备50接受正常供电时，设备50的电压为Vin，例如为24v直流电压，这时电容器处于充电状态。一旦设备50失去外部电源，电容器开始放电，并且由该电容器中存储的电能为设备50维持一定时间的供电，以便设备50进行各种掉电保护的操作。

可替换地，供电单元11也可以是电池。当供电单元11是电池时，则需要设置电压检测电路，使其在检测到设备电压Vin低于一定阈值时，将电池接入电路中为设备50提供供电，以便执行设备50的掉电保护操作。在一个实例中，该电压检测电路可以利用图2所示的电压检测电路13，在其基础上进行设计，也可以利用单独的电压检测电路，这些都是本领域技术人员可以选择的设计变化。

电压检测电路13被配置用于检测设备50的电压Vin，其例如可以是分压电路，电压检测电路13向控制单元12输出Vo，控制单元12可以例如包括控制电路和/或控制电路的供电，控制电路可以例如是微控制单元MCU，也可以是其他微处理单元MPU及其周边电路，其可以是设备50的控制芯片的一部分。在一个实例中，控制单元12被配置为将电压Vo与第一电压阈值V1比较，当电压Vo下降到低于第一电压阈值V1时，控制单元12向第一功能单元51发送控制信号S1，使得第一功能单元51停止供电。在一个实例中，第一功能单元51例如可以包括通信电路和单稳态继电器，一旦检测到设备50失去外部电源，就停止通信电路和单稳态继电器的供电，不再耗能。同时，控制单元12将设备50的状态信息写入存储单元15中，存储单元15可以例如是非易失性存储器，从而使得设备50的状态信息在外部电源恢复供电时能够被控制单元12读取，确保设备50正确地重新开始工作。

比较单元14被配置为将电压Vin与第二电压阈值V2比较，当电压Vin低于第二电压阈值V2时，比较单元14发送信号S2至控制单元12的供电使能端EN，使其停止操作，不再耗能。同时比较单元14还发送信号S3至第二功能单元52，使其进行操作。在一个实例中，第二功能单元52为双稳态继电器，信号S3使得双稳态继电器被复位为打开状态，以确保设备50在外部电源恢复供电时能够正确的操作。同时，比较单元14还将信号S3发送至第一功能单元51，使其继续保持停止供电的状态，以便于设备50可靠地执行掉电保护的操作。

以下，将结合图3来详细说明掉电保护方法的具体实施过程。图3所示为根据本公开一个实施例的掉电保护方法的流程图。如图3所示，在设备50正常工作时，在步骤201中，设备50的电压Vin由电压检测电路13进行检测，例如，电压检测电路13可以是分压电路，也可以是本领域常用的其他电压检测电路。当设备50失去外部电源，检测到的设备电压开始逐步下降。由控制单元12将检测到的设备电压与第一电压阈值V1进行比较。在步骤202中，当检测到的设备电压低于第一电压阈值V1时，启动掉电保护，进入掉电保护第一阶段。第一电压阈值V1可以由用户进行预先设置，例如为16v或16.5v。在设备的正常运行中，外部电源的电压有可能出现波动，用户并不希望一旦设备电压Vin低于外部电源的供电电压(例如24v)就立刻启动掉电保护，因为外部电源有可能在出现扰动而导致电压降低之后很快又恢复正常电压。第一电压阈值V1可以根据用户的需求设置的更高或更低，以满足实际应用情况。

设备电压下降到低于第一电压阈值V1，在步骤203中，控制单元12发出指令S1使得设备50的第一功能单元51停止供电，以避免进一步消耗电容器中储存的电能。第一功能单元51可以包括一些非关键电路如通信电路或辅助设备的供电等，或者不需要长时间维持控制信号即可关断的电路，如单稳态继电器等。在一个实例中，通信电路的功耗为3.9w，及时停止通信电路的操作，将极大的避免能量的浪费，将电容器中存储的电能用于更关键的操作。

同时，在步骤204中，由控制单元12记录设备50的状态信息。所述状态信息包括下列一项或多项：设备50的故障信息、设备50在失去外部电源时的电流、电压、电量、热容等。在设备50为马达保护器的实例中，状态信息还包括功率、温度、转速等其他状态信息；故障信息则包括马达是否发生热过载、单相接地故障、过电压、欠电压等，以便于记录设备50在失去外部电源时的运行情况。这些状态信息由控制单元12写入存储单元15中。在一个实例中，控制单元12向存储单元15写入数据的最短时间为2ms，对应地，掉电保护第一阶段的时间至少为2ms。

随着电容器的电能消耗，设备电压Vin进一步下降，此时，由比较单元14将设备电压Vin与第二电压阈值V2进行比较。比较单元14典型地包括比较器，也可以包括其他的电压比较电路。可选地，可以使用电压检测电路对设备电压Vin进行检测，再由比较单元14将其与第二电压阈值V2进行比较。可选地或可替换地，用于比较单元14的电压检测电路可以与用于控制单元12的电压检测电路相同或者不同的，比较单元14也可以与控制单元12共用同一个电压检测电路或分别使用各自对应的电压检测电路。本领域技术人员可以进行有变化的电路设计。图2中未示出用于比较单元14的电压检测电路，在不同的实例中，可以具有用于比较单元14的电压检测电路，例如分压电路。

在步骤205，当设备电压Vin低于第二电压阈值V2时，进入掉电保护第二阶段。在第一阶段结束时，控制单元12已经完成将设备50的状态信息写入存储单元15的工作，在第二阶段开始时，可以不再对控制单元12供电。在一个实例中，控制单元的功耗为0.9w，如果能及时地停止对控制单元12的供电，也将避免能量的浪费，提高能量的利用率。一旦比较单元14确定设备电压Vin低于第二电压阈值V2时，在步骤206中，由比较单元14向控制单元12发送信号S2以停止控制单元12的工作。控制单元12的供电使能端EN接收到信号S2之后停止控制单元12的供电，使其停止操作。

同时，在步骤207中，比较单元14还发送另一信号S3至第二功能单元52以操作第二功能单元52。在一个实例中，第二功能单元52包括双稳态继电器，该信号S3使得将双稳态继电器复位为打开状态，当第二功能单元52的双稳态继电器的控制电路的使能端EN接收到信号S3时，被复位为打开状态，以便于在外部电源切断之后，系统不会出现安全问题，以及外部电源恢复之后对设备50重新供电时设备能够正常地工作。可替换地，第二功能单元52还可以包括其他需要进行复位操作的电路元件。在一个实例中，由于比较单元14(例如为比较器)的功耗一般来说比控制单元低，在停止控制单元的操作之后，由比较器来进行双稳态继电器的复位操作，显然能够提高能量的利用率。

在一个实例中，双稳态继电器进行复位操作所需的最短时间为40ms，最小工作电压为9v直流电压。相应地，掉电保护第二阶段的时间可以至少为40ms。考虑到电容器电压(即设备电压Vin)不断下降，以及双稳态继电器进行复位操作所需的最短时间，再考虑电容器的规格参数，第二电压阈值V2例如可以为14v，并且第二电压阈值V2大于双稳态继电器的最小工作电压9v。容易理解地，针对不同的第二功能单元52的需求，掉电保护第二阶段的时间可以至少为例如45ms、50ms等其他时间长度，而第二电压阈值V2也可以为13.5v、12v等数值，但是需要满足第一电压阈值V1大于第二电压阈值V2的要求。

对掉电保护第一阶段和第二阶段的时间要求，结合设备50的各个单元的功耗，可以用来确定电容器规格参数，例如电容器的额定电容。在一个实例中，采用本公开的掉电保护方法以及装置，电容器的额定值只需要1200μf，而如果同样的设备采用现有技术的掉电保护方法以及装置，电容器的额定值则需要1470μf。采用本公开的掉电保护方法及装置，电容器的额定值得以有效降低，相应地电容器以及设备的尺寸也得以有效减小，而所付出的代价仅是一个功耗较低的比较器电路而已。

附加地或可选地，第二功能单元52还可以包括其他在设备50失去外部电源时需要更长久地保持供电的器件。附加地或可选地，在图2所示的实例中，比较单元14还发送信号至第一功能单元51，使其继续保持停止供电的状态。在实际情况中，为了设备50能够保持可靠的操作，希望在掉电保护第一阶段已经被停止供电的第一功能单元51，例如通信电路和单稳态继电器等，仍然能够保持停止供电的状态。

可替换地，用于掉电保护的装置10可以是集成为设备50的一部分，也可以是单独的用于执行掉电保护模块的器件。

这样，通过分阶段的停止对设备50的各单元的供电，可以在确保设备50具有可靠的掉电保护功能的基础上，有效地提高能量的利用率、降低对电容值的要求、并减小设备50的体积。

为了更清楚地示出根据本公开的实施例的掉电保护方法的各个掉电保护阶段，下面参考图4进一步说明该电压保护方法的时序图。如图4所示，在T0时刻之前，外部电源向设备50提供稳定的24v直流电压。在T0时刻，控制单元12检测到设备电压Vin低于第一电压阈值V1(例如为16v)时，进入掉电保护第一阶段，控制单元12使得第一功能单元51停止供电，同时控制单元12将设备50的状态信息写入存储单元15中。在一个实例中，由于存储单元15写入数据的要求，掉电保护第一阶段至少需要2ms。在T1时刻，比较单元14检测到设备电压Vin低于第二电压阈值V2(例如为14v)，进入掉电保护第二阶段，比较单元14使得控制单元12停止操作，并且使得第二功能单元52进行操作。具体地，在一个实例中，在掉电保护第二阶段，比较单元14使得第二功能单元52的双稳态继电器复位为打开状态。由于双稳态继电器进行复位操作的要求，掉电保护第二阶段至少为40ms。从T1时刻开始，经过至少40ms，直至T2时刻，设备电压Vin下降到低于双稳态继电器的最小工作电压9v，这时双稳态继电器已被复位为打开状态，可靠地完成了设备的掉电保护操作。

以上接合各附图对本公开实施例的掉电保护方法及其装置进行了详细的说明。总的来说，在掉电保护的第一阶段，通过控制单元使用软件方式使设备的非关键电路停止供电，并备份重要的运行数据；然后在掉电保护的第二阶段，通过比较单元使用硬件方式使消耗能量但并没有进行有效工作的控制电路停止操作，并完成设备的关键电路的复位操作。这样，通过恰当的检测以及处理流程，使得软件过程和硬件过程协同运行，确保设备的掉电保护操作的可靠进行，避免了能量的浪费，在很大程度上提高了能量的利用率，同时也减小了供电单元的容量和体积，也有利于设备的小型化。

容易理解的是，对于大功率的电路，还可以根据具体电路以及掉电保护的要求，将掉电保护细分为更多阶段，在不同的阶段及时地停止非关键电路的操作，从而节省能量，提高能量利用率。本公开的掉电保护方法以及装置特别有利于要求可靠的掉电保护功能，同时设备空间有限或者对能量利用率要求高的产品。对于大功率的电路，分阶段进行掉电保护操作的益处更加明显。

应当理解，如本领域技术人员将要意识到的，示例性实施例是出于示例性的目的，因为用来实施示例性实施例的具体硬件的许多变化形式都是可能的。例如，示例性实施例中的一个或多个组件的功能能够经由一个或多个硬件设备来实施，或者经由诸如模块的一个或多个软件实体来实施。所有或部分的示例性实施例能够通过制备一个或多个应用特定集成电路来实施，或者通过将常规组件电路进行互连来实施。应当理解，本发明不受前文描述限制，也不受附图限制，仅受所附权利要求的限制。

Claims (14)

1.一种掉电保护方法，用于在设备(50)失去外部电源时对所述设备(50)进行保护，所述设备包括控制单元(12)、比较单元(14)、第一功能单元(51)、以及第二功能单元(52)，所述方法包括：

在掉电保护第一阶段，由所述控制单元(12)将所述设备的电压与第一阈值比较(202)，当所述电压低于所述第一阈值时，所述控制单元(12)使得所述第一功能单元停止供电(203)，以及

在掉电保护第二阶段，由所述比较单元(14)将所述电压与第二阈值比较(205)，当所述电压低于所述第二阈值时，所述比较单元(14)使得所述控制单元停止操作(206)，所述第一功能单元(51)保持停止供电的状态，并且所述第二功能单元进行操作(207)，其中所述第一阈值大于所述第二阈值，并且其中所述比较单元(14)的功耗比所述控制单元(12)的功耗低。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述第一功能单元包括通信电路和/或单稳态继电器，并且/或者

所述第二功能单元包括双稳态继电器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中

在所述掉电保护第二阶段，使得所述双稳态继电器被复位为打开状态。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述掉电保护第一阶段，记录所述设备的状态信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述状态信息包括下列一项或多项：所述设备的故障信息、所述设备在失去外部电源时的电流、电压、功率、电量、热容和/或温度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述掉电保护第一阶段的持续时间至少为2ms，并且所述掉电保护第二阶段的持续时间至少为40ms。

7.一种用于掉电保护的装置(10)，用于在设备(50)失去外部电源时对所述设备(50)进行保护，所述设备包括第一功能单元(51)和第二功能单元(52)，

所述装置(10)包括：

控制单元(12)，被配置为在掉电保护第一阶段将所述设备(50)的电压与第一阈值比较，当所述电压低于第一阈值时，所述控制单元(12)使得所述第一功能单元(51)停止供电，以及

比较单元(14)，被配置为在掉电保护第二阶段将所述电压与第二阈值比较，当所述电压低于第二阈值时，所述比较单元(14)使得所述控制单元(12)停止操作，所述第一功能单元(51)保持停止供电的状态，并且所述第二功能单元(52)进行操作，其中所述第一阈值大于所述第二阈值，并且其中所述比较单元(14)的功耗比所述控制单元(12)的功耗低。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，

所述第一功能单元(51)包括通信电路和/或单稳态继电器，

所述第二功能单元(52)包括双稳态继电器，并且/或者

所述比较单元(14)包括比较器。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述比较单元(14)被配置为在所述掉电保护第二阶段使得所述双稳态继电器被复位为打开状态。

10.根据权利要求7所述的装置，还包括存储单元(15)，其中所述控制单元(12)被配置为在所述掉电保护第一阶段向所述存储单元(15)写入所述设备的状态信息。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述状态信息包括下列一项或多项：所述设备的故障信息、所述设备在失去外部电源时的电流、电压、功率、电量、热容和/或温度。

12.根据权利要求7-11中任一项所述的装置，还包括供电单元(11)，被配置为使得所述掉电保护第一阶段的持续时间至少为2ms，并且使得所述掉电保护第二阶段的持续时间至少为40ms。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述供电单元(11)包括电容器和/或电池。

14.一种支持掉电保护的设备(50)，所述设备包括根据权利要求7-13中任一项所述的装置(10)。

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