CN108092403A - 电源自动切换电路及智能电表微控制芯片 - Google Patents

电源自动切换电路及智能电表微控制芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电源自动切换电路和智能电表系统，所述电源自动切换电路包括：第一电源输入端；第二电源输入端；电源输出端；第一开关模块，连接所述第一电源输入端和电源输出端；第二开关模块，连接所述第二电源输入端和电源输出端；检测限位模块，与所述第一电源输入端连接，用于当检测到所述第一电源输入端连接至第一电源时，使所述检测限位模块与第一电源输入端之间的一限位点输出一限定电压；切换控制模块，与所述限位点连接，用于输出第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与第二控制信号相互反相，用于控制第一开关模块和第二开关模块的导通和断开状态。所述电源自动切换电路避免压降问题，降低成本，提高系统稳定性和可靠性。

Description

电源自动切换电路及智能电表微控制芯片
技术领域
本发明涉及智能电表领域，尤其涉及一种电源自动切换电路和一种智能电表微控制芯片。
背景技术
在电表微控制单元(Micro control unit；MCU)的应用系统中，通常采用两种供电电源。一种是市电，由交流电经过整流，滤波，稳压后给MCU供电；另一种是电池，为了防止市电掉电，导致内部计量数据丢失，采用备用电池供电。
传统电表系统采用如图1所示的片外电源自动切换电路。
交流市电输入经过AC-DC整流、滤波以及稳压之后输出VDD电压，VDD电压一般为5V；电池输出电压VBAT为3-3.6V；采用两个二极管D1、D2来实现电源自动切换，电路采用谁高用谁的策略，当市电存在则D1导通，用市电，若市电掉电，VDD＝0，D2导通，自动切换到电池供电。
该电路存在两个显著缺点：
1.二极管D1、D2均存在0.2伏到0.7伏的压降，不利电表MCU的低电压设计，特别是在电池供电的情况下，导致电池使用寿命受到很大影响。
2.额外需要两个二极管D1、D2，以及对二极管D1、D2进行焊接均会提高电路成本。
需要设计一种新的电源自动切换电路，以克服上述缺陷，降低电表系统制造成本，提高整个系统的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种电源自动切换电路及一种智能电表微控制芯片，以提高系统的稳定性和可靠性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种电源自动切换电路，包括：第一电源输入端，用于连接第一电源；第二电源输入端，用于连接第二电源；电源输出端；第一开关模块，连接所述第一电源输入端和电源输出端，用于控制所述第一电源输入端与电源输出端之间电路的导通与断开；第二开关模块，连接所述第二电源输入端和电源输出端，用于控制所述第二电源输入端与电源输出端之间电路的导通与断开；检测限位模块，与所述第一电源输入端连接，用于当检测到所述第一电源输入端连接至第一电源时，使所述检测限位模块与第一电源输入端之间的一限位点输出一限定电压；切换控制模块，与所述限位点连接，用于将所述限定电压进行整形并输出第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与第二控制信号相互反相，所述第一控制信号用于控制第一开关模块的导通和断开状态，所述第二控制信号用于控制第二开关模块的导通和断开状态。
可选的，所述第一开关模块包括第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管的源极连接至所述第一电源输入端，漏极连接至所述电源输出端，栅极连接至所述切换控制模块；所述第二开关模块包括第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管的源极连接至所述第二电源输入端，漏极连接至所述电源输出端，栅极连接至所述切换控制模块。
可选的，所述检测限位模块包括电阻或若干串联接地的NMOS晶体管。
可选的，还包括：浮阱电平移位器，连接所述第一电源输入端和第二电源输入端，用于对所述第一电源输入端的电压和第二电源输入端的电压进行比较，并输出较大值作为所述第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管的阱电压以及所述切换控制模块的电源。
可选的，所述浮阱电平移位器包括第三PMOS晶体管和第四PMOS晶体管；所述第三PMOS晶体管的源极连接至第一电源输入端，栅极连接至第二电源输入端；所述第四PMOS晶体管的源极连接至第二电源输入端，栅极连接至第一电源输入端；所述第三PMOS晶体管和第四PMOS晶体管的漏极以及阱区相互连接，作为输出端。
可选的，所述切换控制模块包括：串联的第一反相器、第二反相器、第三反相器以及第四反相器；第三反相器输出端用于输出第一控制信号，所述第四反相器输出端用于输出第二控制信号，所述第一反相器、第二反相器、第三反相器以及第四反相器的电源端均连接至所述浮阱电平移位器的输出端。
可选的，所述第一电源输入端与所述限位点之间串联有一电阻。
可选的，还包括提示信号输出模块，用于根据第一电源输入端是否连接至第一电源，输出对应的提示信号。
可选的，所述提示信号输出模块包括：串联连接的第五反相器以及连接和第六反相器，所述第五反相器的输入端与所述第二反相器输出端连接，所述第六反相器的输出端作为提示信号输出端。
为解决上述问题，本发明还提供一种智能电表微控制芯片，包括：微控制单元；电源自动切换电路，所述电源自动切换电路的电源输出端连接至所述微控制单元，用于向所述微控制单元提供电源。
本发明的电源自动切换电路包括检测限位模块以及切换控制模块，根据所述检测限位模块检测的第一电源的连接情况，通过切换控制模块控制第一电源输入端与电源输出端之间的第一开关模块、第二电源输入端与电源输出端之间的第二开关模块的导通与断开，实现电源自动切换。
进一步，所述第一开关模块和第二开关模块采用PMOS晶体管，具有较低的压降，可以避免第一电源或第二电源供电时产生较大的压降。
进一步，所述电源自动切换电路还包括浮阱电平移位器，与所述第一电源输入端和第二电源输入端连接，向PMOS晶体管提供阱电压，使PMOS晶体管的阱电压位于系统最高点位，防止关断状态下存在PN结漏电；同时浮阱电平移位器向切换控制模块供电，确保切换控制模块具有确定电源，保证电源切换顺利进行。
本发明智能电表微控制芯片上内置上述电源自动切换电路，可以降低电表系统制造成本，提高整个系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为现有技术的电源自动切换电路的电路示意图；
图2为本发明一具体实施方式的电源自动切换电路的结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式的电源自动切换电路的结构示意图；
图4为本发明一具体实施方式的电源自动切换电路的结构示意图；
图5为本发明一具体实施方式的电源自动切换电路的电路实现示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的电源自动切换电路的具体实施方式做详细说明。
请参考图2，为本发明一具体实施方式的电源自动切换电路的结构示意图。
所述电源自动切换电路包括：第一电源输入端11，用于连接第一电源VDD；第二电源输入端12，用于连接第二电源VBAT；电源输出端VDD_IN；第一开关模块101，连接所述第一电源输入端11和电源输出端VDD_IN，用于控制所述第一电源输入端11与电源输出端VDD_IN之间电路的导通与断开；第二开关模块102，连接所述第二电源输入端12和电源输出端VDD_IN，用于控制所述第二电源输入端12与电源输出端VDD_IN之间电路的导通与断开；检测限位模块103，与所述第一电源输入端11连接，用于当检测到所述第一电源输入端11连接至第一电源VDD时，使所述检测限位模块103与第一电源输入端11之间的一限位点A输出一限定电压；切换控制模块104，与所述限位点A连接，用于将所述限定电压进行整形并输出第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与第二控制信号相互反相，所述第一控制信号用于控制第一开关模块101的导通和断开状态，所述第二控制信号用于控制第二开关模块102的导通和断开状态。所述第一开关模块101和第二开关模块102可以具有相同的电路结构。
所述电源自动切换电路用于自动切换第一电源VDD或第二电源VBAT作为电源输出。在本发明的具体实施方式中，所述第一电源VDD为经过整形滤波处理后的市电电源，所述第二电源VBAT为备用电池电源。当所述第一电源输入端11连接到第一电源VDD时，所述电源自动切换电路将所述第一电源VDD作为供电电源，当所述第一电源VDD断开时，所述电源自动切换电路自动切换第二电源VBAT作为供电电源。
具体的，当所述第一电源输入端11连接至第一电源VDD时，所述检测限位模块103检测到所述第一电源VDD，将限位点A的电压限定为一高电平的限定电压，所述切换控制模块104对所述限定电压进行整形输出第一控制信号至第一开光模块101，输出第二控制信号至第二开关模块102。所述第一控制信号控制第一开关模块101导通，第一电源VDD向电源输出端VDD_IN供电；而第二控制信号与第一控制信号为反相信号，使得第二开光模块102断开。因此，当第一电源输入端11连接至第一电源VDD时，该电源自动切换电路切换第一电源VDD作为供电电源。
当所述第一电源输出端11与第一电源VDD断开时，限位点A的电压限为0，所述切换控制模块104输出的第一控制信号使得第一开关模块101断开，第二控制信号使第二开关模块102导通。因此，当第一电源输入端11与第一电源VDD断开时，该电源自动切换电路切换第二电源VBAT作为供电电源。
请参考图3，为本发明另一具体实施方式的电源自动切换电路的结构示意图。
该具体实施方式中，所述电源自动切换电路的第一开关模块101包括第一PMOS晶体管M1，所述第一PMOS晶体管M1的源极连接至所述第一电源输入端11，漏极连接至所述电源输出端VDD_IN，栅极连接至所述切换控制模块104，用于接收第一控制信号；所述第二开关模块102包括第二PMOS晶体管M2，所述第二PMOS晶体管M2源极连接至所述第二电源输入端12，漏极连接至所述电源输出端VDD_IN，栅极连接至所述切换控制模块104，用于接收第二控制信号。
与NMOS晶体管或二极管相比，PMOS晶体管具有更低的压降，所述第一开关模块101和第二开关模块102导通时对输入的电源电压影响较小，使得电源输出端VDD_IN电压基本与供电电源电压一致。
该具体实施方式中，所述电源自动切换电路还包括：浮阱电平移位器201，连接所述第一电源输入端11和第二电源输入端12，用于对所述第一电源输入端11的电压和第二电源输入端12的电压进行比较，并输出较大值，作为所述第一PMOS晶体管M1和第二PMOS晶体管M2的阱电压VWELL，同时也作为向所述切换控制模块104提供的电源。
所述浮阱电平移位器201输出的阱电压VWELL始终保持系统最高电位，防止在关断状态下，第一PMOS晶体管M1和第二PMOS晶体管M2存在PN结漏电；同时确保在所述第一PMOS晶体管M1和第二PMOS晶体管M2导通之前，切换控制模块104有确定的电源，从而保证电源切换的顺利进行。
该具体实施方式中，所述第一电源输入端11与所述限位点A之间串联有一电阻R1，所述电阻R1起到静电保护的作用。
请参考图4，为本发明另一具体实施方式的电源自动切换电路的结构示意图。
该具体实施方式中，所述电源自动切换电路还包括一提示信号输出模块301，所述提示信号输出模块301与所述切换控制模块104连接，,从所述切换控制模块104获取与第一电源输入端11与第一电源VDD连接状态对应的信号，经过处理后输出对应的提示信号Vdd_hold。
在一个具体实施方式中，当第一电源输出端11连接至第一电源VDD时，提示信号输出模块301输出高电平，提示所述第一电源VDD存在，采用市电供电；当第一电源输出端11与第一电源VDD断开时，所述提示信号输出模块301输出低电平，提醒所述第一电源VDD不存在，采用电池供电，后续的负载可以关闭能耗较大的功能，进入节能模式。在本发明的其他具体实施方式中，也可以在第一电源输出端11连接至第一电源VDD时，提示信号输出模块301输出低电平；当第一电源输出端11与第一电源VDD断开时，所述提示信号输出模块301输出高电平。
请参考图5，为本发明另一具体实施方式的所述电源自动切换电路的具体电路实现示意图。
所述检测限位模块103包括若干串联接地的NMOS晶体管。该具体实施方式中，所述检测限位模块103包括第一NMOS晶体管M5、第二NMOS晶体管M6以及第三NMOS晶体管M7，若第一电源输入端11连接至第一电源VDD，则第一电源输入端11与检测限位模块103之间导通接地，限位点A点的电压约为上述3个NMOS晶体管的阈值电压。在其他具体实施方式中，所述检测限位模块103也可以包括其他数量的串联的NMOS晶体管，以调整限位点A的电压。在其他具体实施方式中，所述检测限位模块103还可以包括一较大阻值的电阻，限位点A点的电压与所述电阻的阻值成正比。所述检测限位模块103还可以为N阱结构或其他合适的电路结构。
所述切换控制模块104包括：串联的第一反相器inv1、第二反相器inv2、第三反相器inv3以及第四反相器inv4；第三反相器inv3的输出端连接至第一PMOS晶体管M1栅极，用于向第一PMOS晶体管M1输出第一控制信号，所述第四反相器inv4输出端连接至第二PMOS晶体管M2栅极，用于向第二PMOS晶体管M2输出第二控制信号。第一反相器inv1、第二反相器inv2、第三反相器inv3以及第四反相器inv4的电源端均连接至所述浮阱电平移位器201的输出端，以所述浮阱电平移位器201的输出的阱电压VWELL作为工作电源。通过第一反相器inv1和第二反相器inv2对A点的电压进行信号整形，输出合适大小的电平，然后再通过第三反相器inv3以及第四反相器inv4分别输出第一控制信号和第二控制信号。
所述浮阱电平移位器201包括第三PMOS晶体管M3和第四PMOS晶体管M4；所述第三PMOS晶体管M3的源极连接至第一电源输入端11，栅极连接至第二电源输入端12；所述第四PMOS晶体管M4的源极连接至第二电源输入端12，栅极连接至第一电源输入端11；所述第三PMOS晶体管M3和第四PMOS晶体管M4的漏极以及阱区相互连接，作为输出端，输出阱电压VWELL。
所述提示信号输出模块301包括：串联连接的第五反相器inv5和第六反相器inv6，所述第五反相器inv5的输入端与所述第二反相器inv2输出端连接，并且分别以所述电源输出端VDD_IN作为电源。所述第六反相器inv6的输出端作为提示信号输出端，输出提示信号Vdd_hold。所述的第五反相器inv5和第六反相器inv6用于对第二反相器inv2输出的电平信号进行电平移位，调整电平大小，以适应后续的数字电路的信号处理要求。
上述具体实施方式中，电源自动切换电路的各个电路元件均可以通过半导体工艺在芯片上进行实现，从而内置于智能电表系统的芯片中，不需要再额外焊接电子元件，可以降低成本。
本发明的具体实施方式还提供一种智能电表微控制芯片，包括微控制单元以及上述具体实施方式中所述的电源自动切换电路，所述电源自动切换电路的电源输出端连接至所述微控制单元，用于向所述微控制单元提供电源。所述电源自动切换电路内置集成于所述智能电表微控制芯片内，可以降低电表系统制造成本，提高整个系统的稳定性和可靠性。
下面结合图5来具体说明所述电源切换电路的具体功能实现。
检测限位模块103用于检测市电第一电源VDD的存在，若第一电源VDD存在，则A点电压约为3个NMOS晶体管的阈值电压之和，通过设计第一反相器inv1的触发电平点，保证其触发电平低于3个NMOS阈值电压之和，则此时第一反相器inv1输出为低电平，则第二反相器inv2输出为高电平，第三反相器inv3输出为低电平，作为第一控制信号，第四反相器inv4输出为高，作为第二控制信号。这样第一PMOS晶体管M1导通，第二PMOS晶体管M2截止，第一电源VDD通过第一PMOS晶体管M给电源输出端VDD_IN供电，VDD_IN作为电表微控制芯片的内部电源。同时第六反相器inv6输出为高电平，Vdd_hold为高电平，输入至电表的微控制单元，提醒微控制单元市电存在，当前是采用市电供电。
在市电掉电情况下，第一电源输入端11输入电压为0，则A点电压为0，则第一反相器inv1输出高电平，第二反相器inv2输出低电平，第三反相器inv3输出高电平作为第一控制信号，第四反相器inv4输出低电平。这样第一PMOS晶体管M1截止导通，第二PMOS晶体管M2导通，第二电源VBAT通过第二PMOS晶体管给电源输出端VDD_IN供电，自动完成电源切换。同时第六反相器inv6输出低电平，Vdd_hold为低电平，输入至电表的微控制单元，提醒微控制单元市电不存在，当前是采用电池供电，微控制单元可以关闭能耗较大的功能，进入节电模式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电源自动切换电路，其特征在于，包括：
第一电源输入端，用于连接第一电源；
第二电源输入端，用于连接第二电源；
电源输出端；
第一开关模块，连接所述第一电源输入端和电源输出端，用于控制所述第一电源输入端与电源输出端之间电路的导通与断开；
第二开关模块，连接所述第二电源输入端和电源输出端，用于控制所述第二电源输入端与电源输出端之间电路的导通与断开；
检测限位模块，与所述第一电源输入端连接，用于当检测到所述第一电源输入端连接至第一电源时，使所述检测限位模块与第一电源输入端之间的一限位点输出一限定电压；
切换控制模块，与所述限位点连接，用于将所述限定电压进行整形并输出第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号与第二控制信号相互反相，所述第一控制信号用于控制第一开关模块的导通和断开状态，所述第二控制信号用于控制第二开关模块的导通和断开状态。
2.根据权利要求1所述的电源自动切换电路，其特征在于，所述第一开关模块包括第一PMOS晶体管，所述第一PMOS晶体管的源极连接至所述第一电源输入端，漏极连接至所述电源输出端，栅极连接至所述切换控制模块；
所述第二开关模块包括第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管的源极连接至所述第二电源输入端，漏极连接至所述电源输出端，栅极连接至所述切换控制模块。
3.根据权利要求1所述的电源自动切换电路，其特征在于，所述检测限位模块包括电阻或若干串联接地的NMOS晶体管。
4.根据权利要求2所述的电源自动切换电路，其特征在于，还包括：浮阱电平移位器，连接所述第一电源输入端和第二电源输入端，用于对所述第一电源输入端的电压和第二电源输入端的电压进行比较，并输出较大值作为所述第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管的阱电压以及所述切换控制模块的电源。
5.根据权利要求4所述的电源自动切换电路，其特征在于，所述浮阱电平移位器包括第三PMOS晶体管和第四PMOS晶体管；所述第三PMOS晶体管的源极连接至第一电源输入端，栅极连接至第二电源输入端；所述第四PMOS晶体管的源极连接至第二电源输入端，栅极连接至第一电源输入端；所述第三PMOS晶体管和第四PMOS晶体管的漏极以及阱区相互连接，作为输出端。
6.根据权利要求4所述的电源自动切换电路，其特征在于，所述切换控制模块包括：串联的第一反相器、第二反相器、第三反相器以及第四反相器；第三反相器输出端用于输出第一控制信号，所述第四反相器输出端用于输出第二控制信号，所述第一反相器、第二反相器、第三反相器以及第四反相器的电源端均连接至所述浮阱电平移位器的输出端。
7.根据权利要求1所述的电源自动切换电路，其特征在于，所述第一电源输入端与所述限位点之间串联有一电阻。
8.根据权利要求1所述的电源自动切换电路，其特征在于，还包括提示信号输出模块，用于根据第一电源输入端是否连接至第一电源，输出对应的提示信号。
9.根据权利要求8所述的电源自动切换电路，其特征在于，所述提示信号输出模块包括：串联连接的第五反相器以及连接和第六反相器，所述第五反相器的输入端与所述第二反相器输出端连接，所述第六反相器的输出端作为提示信号输出端。
10.一种智能电表微控制芯片，其特征在于，包括：
微控制单元；
如权利要求1至9任一项所述的电源自动切换电路，所述电源自动切换电路的电源输出端连接至所述微控制单元，用于向所述微控制单元提供电源。
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