CN108387773A - 电压监控电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电压监控电路，本发明利用稳压管与普通光耦代替ADC与线性光耦，不但核心元器件的价格大幅降低，而且电路结构更紧凑；对于后端MCU端口的占用，由原先的N路降低为仅仅1路；省去了MCU的运算、比较的过程，降低了后端处理器的编程难度，又提高了执行效率。

Description

电压监控电路

技术领域

本发明涉及电压监控技术领域，尤其涉及一种电压监控电路。

背景技术

电子产品中经常需要对某些电压进行监控，当被监控电压在门限电压范围之外时控制芯片(MCU)产生报警信号。如图1所示，对于不共地系统的电压门限监控，需要使用隔离转换电路将图1中左边的被监控侧的电压信号，隔离传输转换到图1的右边的监控侧，由MCU判断是否满足报警条件。

隔离转换电路的作用是将待测电压值转化为可以被控制单元(MCU)识别、读取的信息形式，MCU根据转化后的信息，推断出被监控电压值，是否达到门限要求。其中，隔离转换电路的输入形式为被监控的电压，如图1中左侧电池提供的供电电压VCC，实际情况不限于电源电压。隔离转换电路的输出形式是可被控制单元识别的信息——可以是通信报文、模数转换后的数字信息，也可以是纯粹的模拟信息，转换后的输出形式，取决于隔离转换电路内的具体电路实现。

另外，横跨不同供电系统的模块/电路组件，其输入、输出侧需要满足各自供电系统的电学特性与要求。图1中的隔离转换电路，以及隔离DC/DC模块均属于上述横跨组件。

本申请的在后续图中，隔离转换电路中都会标识A地(模拟地)与D地(数字地)，用以区别不同组件，或同一组件的不同部分隶属不同的供电基准。

图1中，对电池电压进行电压监控的电路结构框图是一种不共地供电体系。隔离转换电路的输入端，连接被监控的电压端，图1中为电池的供电电压VCC，实际，不限于电池电压。隔离转换电路的输出端连接MCU的信号输入端。A地为模拟地，是连续信号隶属的供电系统的电压基准。D地为数字地，是产生数字信号的供电系统的电压基准。此处的A地和D地用于区别图1中两侧分属不同的供电压制，不同的供电基准。

图1中，电池所在供电体系：VCC与A地(模拟地)，即以A地为电压基准，提供电压VCC，隔离DC/DC模块(隔离直流转直流电压模块)，将电池能量转化为另一种供电体系：VDD与D地(数字地)，即以D地为电压基准的电压VDD作为控制单元(MCU)的电源供电电压。监控侧(MCU侧)与被监控侧(电池侧)分属不同的供电体系。

常规监控电路的隔离转换电路如图2所示，对于不共地系统的电压门限监控，通常采用线性光耦+ADC(模/数转换器)采样的方式，控制芯片根据采样结果，计算出被监控电压值，再将其值同预设的电压门限进行比较，进而判断被监控电压是否超出监控门限要求。

图2中，线性光耦的输入为被监控电压，线性光耦连接被监控的电压端(隶属A地)，单路输入。线性光耦输出为符合D地电学要求的连续信号(模拟信号，与被监控电压保持线性关系，单路输出。ADC(模拟数字转换器)的作用是将模拟信号(即连续信号)转化为数字信号(即离散信号)。ADC输入端连接线性光耦的输出端，单路输入。ADC输出端连接控制单元(MCU)的数字信号输入端，N路输出。因此，会占用MCU较多(端口)资源。图2中，线性光耦以及ADC为框图的核心元器件，真实电路还有一些辅助元器件，没有标注，这也是结构不够紧凑的表现。

图2中，A地的被监控电压，经线性光耦隔离转化后，生成D地的线性信号，模拟数字转换器(ADC)将该线性连续信号转化为N路离散信号，传递给MCU进行处理。该方法需要占用MCU的N路数字端口资源，N的具体数值根据ADC的性能不同而不同。图2中可见，线性光耦的左侧输入端口属于A地系统，右侧输出端口属于D地系统。其输出信号也属于D地系统。其中，线性光耦跨接在A/D地之间。该方案的优点是可以准确得知被监控的电压值；缺点是所需的元器件较多，成本较高，系统资源开销也较大，例如，需要占用控制芯片的N路输入端口，且由于涉及运算所以程序编写、调试较复杂，嵌入式系统时间开销也较大，该方案适用于对被监控电源的电压值有实时线性要求的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电压监控电路，能够解决现有的不共地系统的电压门限监控结构所需的元器件较多，成本较高，系统资源开销也较大的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种电压监控电路，包括：

稳压管与分压电阻串联后，连接在被监控电压两端，其中，稳压管的极性满足其反接状态；

限流电阻与非线性光耦的输入端的发光二极管串联后，并联在分压电阻的两端，其中，非线性光耦的输入端的发光二极管在电路中处于正接状态；

所述非线性光耦的光敏三极管的输出端经上或下拉电阻连接至与被监控电压不共地的后端控制单元侧的供电系统电源或地端后，同后端控制单元的数字输入端口相连。

进一步的，在上述电压监控电路中，所述非线性光耦的光敏三极管的输出端仅为一路。

进一步的，在上述电压监控电路中，所述仅一路的输出端同时解决监控电压高门限和监控电压低门限共两个门限的监控。

进一步的，在上述电压监控电路中，当被监控电压大于等于监控电压高门限时，稳压管充分导通提供足够的电流，使所述非线性光耦的光敏三极管充分导通，则下拉电阻处产生稳定的确定的电压输出，所述输出端的电压等于供电系统电源，该电平符合后端控制单元的输入端口的逻辑高电平。

进一步的，在上述电压监控电路中，

当被监控电压小于所述监控电压高门限时，稳压管导通不充分，稳压管的输出不具有数字化特性，所述光敏三极管的输出处于模拟状态或数字状态；其中，被监控电压在低于某一特定电压值的时候，稳压管完全不导通，这时稳压管输出重新具有数字化，所述光敏三极管的输出处于数字状态，其中，所述数字状态表示光敏三极管进入截止区。

进一步的，在上述电压监控电路中，当调整所述分压电阻、限流电阻和所述上或下拉电阻，使所述被监控电压小于等于所述监控电压低门限时，输出端的非线性电压变动范围在后端控制单元的输入电压门限的低门限以下，则后端控制单元检测到逻辑低电平。

与现有技术相比，本发明利用稳压管与普通光耦代替ADC与线性光耦，不但核心元器件的价格大幅降低，而且电路结构更紧凑；对于后端MCU端口的占用，由原先的N路降低为仅仅1路；省去了MCU的运算、比较的过程，降低了后端处理器的编程难度，又提高了执行效率。

附图说明

图1是现有的不共地系统的电压门限监控电路框图；

图2是常规的不共地电压门限监控电路图；

图3是本发明一实施例的使用稳压二极管V1与普通光耦E5构成的隔离传输电路图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图3所示，本发明提供一种电压监控电路，包括：

稳压管V1与分压电阻R1串联后，连接在被监控电压两端(例如，图3中为VI与A地，隶属A地供电系统)，其中，稳压管的极性应满足其反接状态；

限流电阻R2与非线性光耦E5的输入端的发光二极管(如图3中，非线性光耦E5左侧的两个输入端)串联后，并联在分压电阻R1的两端，其中，非线性光耦E5输入端的发光二极管在电路中处于正接状态；

所述非线性光耦E5的光敏三极管的输出端Vo经上或下拉电阻连接至与被监控电压不共地的后端控制单元侧的供电系统电源(VDD)或地(D地)端后，同后端控制单元(MCU)的数字输入端口相连。其中，所述光耦E5输出端包括光敏三级管的集电极与发射极。图3中所示为下拉电阻R3的情况，光耦输出端，经上/下拉电阻的连接方式，为业内公知常识。

具体的，图3中，VI为被监控电压，是本发明的电压监控电路即隔离转换电路框图(图1虚框)的输入，单路；

A地为被监控侧的电压基准；

D地为监控侧(控制单元侧)的电压基准；

VDD为监控侧的供电电源；

Vo为提供给控制单元的信号，即本发明的隔离转换电路框图(图1虚框)的输出，为单路。

在此，当未对被监控电压有线性要求时，可以采用数字化思维方式，将前端的报警门限电压与后端MCU输入端的逻辑门槛电平进行转换、关联。此时，对监控门限的比较操作由MCU的内部数学运算转变为对MCU的端口逻辑电平的判断。当被监控电压处于高/低门限电压范围以外时，只需隔离转换电路转换后的信号被后端MCU判读成不同的逻辑电平，即可达到产生报警条件的功能要求。

本发明可以解决成本高、运算复杂、控制系统开销大等问题。

本发明的电压监控电路一实施例中，如图3所示，所述非线性光耦的光敏三极管的输出端仅为一路。

本发明的电压监控电路一实施例中，所述仅为一路的输出端同时解决监控电压高门限和监控电压低门限共两个门限的监控。

本发明的电压监控电路一实施例中，当被监控电压VI大于等于监控电压高门限VH时，稳压管V1充分导通提供足够的电流，使所述非线性光耦E5的光敏三极管充分导通，则下拉电阻R3处产生稳定的确定的电压输出，输出端Vo的电压等于供电系统电源(VDD)，该电平符合后端控制单元(MCU)的输入端口的逻辑高电平。

在此，当VI≥VH时，稳压管V1完全导通且输出稳定的恒压值，该行为被认为符合数字化转换行为，此时稳压管V1完成了信号VI的数字化转换。

本发明的电压监控电路一实施例中，当被监控电压VI小于所述监控电压高门限VH时，稳压管V1导通不充分，稳压管的输出不具有数字化特性,此时，所述光敏三极管的输出可以处于数字状态或模拟状态。其中，当被监控电压VI在低于某一特定电压值(与稳压管的产品特性有关，当稳压管的型号确定后，该特定电压值为一固定值)的时候，稳压管V1完全不导通，这时稳压管输出重新具有数字化——因为，无论之后VI如何更小，稳压管始终无输出，或者成为输出为0了；此时，所述光敏三极管的输出处于数字状态。其中所述数字状态表示光敏三极管进入截止区，如果进入截止区，应确保此时VI≤VL。需要说明的是:当VI≤VL时，不管稳压管输出的是处于数字状态还是模拟状态，都可以通过调整电路的各元件参数，使得对应输出端Vo处于逻辑低门槛电平之下，即可实现本发明的技术效果。

进一步地，当VI＜VH时，稳压管V1输出的电压值、电流值不稳定，因而可以认为此时稳压管的输出不具有数字化特性(或者说其具有模拟化特性)。稳压管V1后端的光耦的输出也呈连续变化的特性，可认为此时光耦的输出信号具有模拟特性。其中，稳压管V1输出的电压值、电流值有可能下降为0。此时，光敏三极管处于截止区，输出具有数字特性。这样，数字化转化，就由传输设备完成，转换电路的输出就为纯粹的数字信号。

本发明的电压监控电路一实施例中，当调整所述分压电阻R1、限流电阻R2和所述上或下拉电阻，使所述被监控电压小于等于所述监控电压低门限VL时，输出端Vo的非线性电压变动范围在后端控制单元(MCU)的输入电压门限的低门限以下，则后端控制单元(MCU)检测到逻辑低电平。

在此，当精确调整过的分压电阻R1、限流电阻R2和所述上或下拉电阻(例如，图3中R3是下拉电阻)，使VI≤VL(监控低门限)时，Vo的非线性电压变动范围在MCU输入电平的低逻辑门槛以下，则可以认为MCU检测到了逻辑低电平。

精确调整过的分压电阻R1、限流电阻R2和所述上或下拉电阻(例如，图3中R3是下拉电阻)使VI＝VL时，光耦输出Vo的电平刚好同MCU输入端的数字门限电平相重合。则，当VI＜VL时，尽管Vo随同Vi继续非线性下降依然呈现模拟性，但此时Vo已完全落入MCU的低电平逻辑范围，MCU的输入门槛电平完成了对Vo的数字化转化。

通过上述实施例本发明的电压监控电路完成了对被监控电压的高低门限向MCU输入端逻辑高低电平的关联、映射。

综上所述，本发明利用稳压管与普通光耦代替ADC与线性光耦，不但核心元器件的价格大幅降低，而且电路结构更紧凑；对于后端MCU端口的占用，由原先的N路降低为仅仅1路；省去了MCU的运算、比较的过程，降低了后端处理器的编程难度，又提高了执行效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种电压监控电路，其特征在于，包括：

稳压管与分压电阻串联后，连接在被监控电压两端，其中，稳压管的极性满足其反接状态；

限流电阻与非线性光耦的输入端的发光二极管串联后，并联在分压电阻的两端，其中，非线性光耦的输入端的发光二极管在电路中处于正接状态；

所述非线性光耦的光敏三极管的输出端经上或下拉电阻连接至与被监控电压不共地的后端控制单元侧的供电系统电源或地端后，同后端控制单元的数字输入端口相连。

2.如权利要求1所述的电压监控电路，其特征在于，所述非线性光耦的光敏三极管的输出端仅为一路。

3.如权利要求1所述的电压监控电路，其特征在于，所述仅一路的输出端同时解决监控电压高门限和监控电压低门限共两个门限的监控。

4.如权利要求1所述的电压监控电路，其特征在于，当被监控电压大于等于监控电压高门限时，稳压管充分导通提供足够的电流，使所述非线性光耦的光敏三极管充分导通，则下拉电阻处产生稳定的确定的电压输出，所述输出端的电压等于供电系统电源，该电平符合后端控制单元的输入端口的逻辑高电平。

5.如权利要求4所述的电压监控电路，其特征在于，当被监控电压小于所述监控电压高门限时，稳压管导通不充分，稳压管的输出不具有数字化特性，所述光敏三极管的输出处于模拟状态或数字状态；其中，被监控电压在低于某一特定电压值的时候，稳压管完全不导通，这时稳压管输出重新具有数字化，所述光敏三极管的输出处于数字状态，其中，所述数字状态表示光敏三极管进入截止区。

6.如权利要求4所述的电压监控电路，其特征在于，当调整所述分压电阻、限流电阻和所述上或下拉电阻，使所述被监控电压小于等于所述监控电压低门限时，输出端的非线性电压变动范围在后端控制单元的输入低门槛电压以下，则后端控制单元检测到逻辑低电平。