CN108429332A - 一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路 - Google Patents
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Abstract
一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路。涉及一种智能电能表，尤其涉及一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路。功耗低、超级电容维持时间长。包括变压器T1、整流电路、稳压电路和采样电路；还包括双超级电容时钟备用电源电路；所述双超级电容时钟备用电源电路包括时钟芯片、电能表处理单元、防反二极管D5、超级电容C6和充放电阻R6；所述时钟芯片包括主电源端Vcc2、后备电源端Vcc1、片选信号端CE、数据信号端I/O和通信时钟信号SCLK；所述主电源端Vcc2与稳压电路连接，所述后备电源端Vcc1与防反二极管D5的正极连接。本发明不会对电能表成本增加很多；因本电路增加的功耗极低；涓流充电电流很小，延长了超级电容C4和C6的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能电能表，尤其涉及一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路。
背景技术
智能电能表的计时功能十分重要，会影响计费、事件记录等重要功能，要求即使在停电时时钟模块也必须正常工作，为此智能电能表内部采用一只锂电池作为时钟备用电源，以确保停电时时钟模块能正常工作。但锂电池长期使用会存在钝化现象，缩短了电池寿命，因此在使用一段时间后需要更换。但原先智能电能表时钟电池均是焊接在电能表电路板上，因此更换不便，而且更换电池必须在断电状态下进行。为解决单相智能电能表时钟电池欠压时无法更换电池问题，国网计量中心牵头制定了电池可更换智能电能表技术要求，其中不仅改进了电池安装结构以便于电池更换，同时为保证电池更换期间时钟模块的正常工作，要求必须在电能表内安装超级电容，并于2016年6月向电能表生产企业进行了宣贯。要求在电能表断电且电池欠压情况下，超级电容只为时钟供电，且维持时钟正确计时至少2天。国网计量中心检测流程为：电能表在参比电压条件下加载10min后，将电能表时钟与标准时间对时，再取出时钟电池且电能表在断电、环境温度为-40℃的情况下，静置2天。将时钟电池放回电能表电池仓，电能表上电，电能表时钟与标准时间比较误差不应超过5s。将同一只智能电能表在环境温度为70℃的情况下重复上述操作并满足同样要求。
超级电容充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，因此目前电池可更换式电能表中时钟备用电源一般采用在电源输出端外接一只超级电容和一只充放电电阻的串联电路来实现。采用该方法的优点是电路实现简单，但缺点是：
（1）由于检测时要求电能表在参比电压条件下加载一定时间后电能表断电，因此在此期间必须将超级电容充满电，这就要求在超级电容允许的前提下充电电阻必须尽可能小，以加快充电速度，而超级电容相对于锂电池的一大优势就是其允许大电流充放电而不会受损。但由于充电电阻和放电电阻为同一只电阻，这就造成了其放电速度也很快，使得超级电容维持时间减少。
（2）在超级电容性能降低或停电远超过2天的条件下，超级电容维持时间不能满足要求。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种功耗低、超级电容维持时间长的一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路。
本发明的技术方案是：包括变压器T1、整流电路、稳压电路和采样电路；还包括双超级电容时钟备用电源电路；
所述双超级电容时钟备用电源电路包括时钟芯片、电能表处理单元、防反二极管D5、超级电容C6和充放电阻R6；
所述时钟芯片包括主电源端Vcc2、后备电源端Vcc1、片选信号端CE、数据信号端I/O和通信时钟信号SCLK；所述主电源端Vcc2与稳压电路连接，所述后备电源端Vcc1与防反二极管D5的正极连接，所述片选信号端CE、数据信号端I/O和通信时钟信号SCLK分别与电能表处理单元的对应端连接；
所述充放电阻R6和采样电路并联，分别与所述防反二极管D5的负极连接；
所述超级电容C6的输入端与所述充放电阻R6的输出端连接，所述超级电容C6的输出端接地。
所述时钟芯片采用DS1302低功耗时钟芯片。
所述整流电路包括整流器V1、电容C1和电容C2；
所述变压器T1的初级输入端接220V市电；所述整流器V1的输入端与变压器T1的次级输出端相连；
所述电容C1和电容C2并联，其输入端分别与所述整流器V1的第三引脚连接，其输出端分别接地。
所述稳压电路包括三端稳压器U1、共阳极双二极管D1、共阳极双二极管D2、电容C3、电阻R1和超级电容C4；
所述三端稳压器U1的第一引脚与整流器V1的输出端连接，所述三端稳压器U1的第二引脚与共阳极双二极管D1的输入端连接，所述共阳极双二极管D1的输出端接地；
所述共阳极双二极管D2和电容C3并联；
所述电容C3的正极输入端与三端稳压器U1的第三引脚连接，所述电容C3的负极输出端接地；
所述共阳极双二极管D2的第三引脚与三端稳压器U1的第三引脚连接；
所述电阻R1和超级电容C4依次串接，所述电阻R1的输入端与所述共阳极双二极管D2的第一引脚连接，所述超级电容C4的输出端接地。
所述电容C1的输入端设有检测电路；
所述检测电路包括电阻R4和电阻R5；所述电阻R4的输入端与所述共阳极双二极管D2的第二引脚连接；所述电阻R5的输入端与电阻R4的输出端连接，所述电阻R5的输出端接地；
所述电能表处理单元连接在电阻R4与电阻R5之间。
所述采样电路包括共阴极双二极管D3、二极管D4、时钟电池、电阻R2、电阻R3和电容C5；
所述共阴极双二极管D3的第一引脚与所述共阳极双二极管D2的第一引脚连接，所述共阴极双二极管D3的第三引脚与电能表处理单元连接，所述二极管D4的负极输出端也与电能表处理单元连接，所述二极管D4的输入端接入5.7V电压；
所述电阻R3的一端与电池的正极连接，另一端与电能表处理单元连接；所述电容C5的一端与电能表处理单元连接，另一端接地；所述电阻R2的一端与电能表处理单元连接，另一端接地；所述电池的负极接地；所述共阴极双二极管D3的第二引脚连接在电阻R3与电池之间。
本发明中为了延长时钟备用电源的持续时间，采用双超级电容时钟备用电源电路。在现有单超级电容时钟备用电源电路的基础上，如图2所示，在电源V B和共阴极双二极管D3的1端之间增加如图1所示的电路。该电路由时钟芯片DS1302、电能表处理单元、防反二极管D5、超级电容C6、充放电电阻R6组成。同时，将图2中的V DC电源经电阻R4和R5分压后送电能表处理单元检测，以确定电能表是否断电。
该电路具有以下特性:（1）由于DS1302是一款通用的、廉价的时钟芯片，而且电能表数量很大，动辄十万只以上，因此批量采购DS1302时价格很低，因此不会对电能表成本增加很多；（2）DS1302工作时本来功耗就很低，2V时工作电流小于300nA，保持数据和时钟信息时功耗小于1mW。由于本发明中未用到其时钟功能，也不需要保持数据和时钟信息，也未外接晶振用于产生时钟。同时，在电能表处理单元对DS1302的涓流充电寄存器进行配置后，电能表处理单元与DS1302之间无需进行通信。因此，因本电路增加的功耗极低。（3）图2中，电能表正常工作时，VCC电源由三端稳压器U1的输出5.7V提供，因此对超级电容C4和C6的寿命影响很小。在时钟电池欠压时，电能表断电后全部由超级电容C4和C6提供电源。在满足功耗的前提下，电流表处理单元配置涓流充电寄存器的DS=10，RS=11，即选择二只二极管、选择电阻R3=8KΩ，充电回路电阻大，因此涓流充电电流很小，延长了超级电容C4和C6的寿命。
附图说明
图1是本发明的双超级电容时钟备用电源电路图；
图2是单超级电容时钟备用电源电路图；
图3是本发明的电路结构图；
图4是DS1302时钟芯片的工作电路；
图5是DS1302时钟芯片内部结构图；
图6是DS1302时钟芯片内部涓流充电电源电路图；
图中POWER CONTROL是电源控制装置、INPUT SHIFT REGISTERS是输入移位寄存器、COMMAND AND CONTROL LOGLC是指挥控制系统、REAL TIME CLOCK是实时时钟、
1 OF 16 SELECT是16选1 ，NOTE:ONLY 1010 ENABLES CHARGER是注意：只有1010能充电、1 OF 2 SELECT是2选1、1 OF 3 SELECT是3选1、
TCS=TRICKLE CHARGER SELECT是TCS=涓流充电器选择、
DS=DIODE SELECT是DS=二极管选择、
ROUT=RESISTOR SELECT是ROUT=电阻器选择。
具体实施方式
本发明如图1-6所示，包括变压器T1、整流电路、稳压电路和采样电路；其特征在于，还包括双超级电容时钟备用电源电路；
所述双超级电容时钟备用电源电路包括时钟芯片、电能表处理单元（即CPU）、防反二极管D5、超级电容C6和充放电阻R6；
所述时钟芯片包括主电源端Vcc2、后备电源端Vcc1、片选信号端CE、数据信号端I/O和通信时钟信号SCLK；所述主电源端Vcc2与稳压电路连接，所述后备电源端Vcc1与防反二极管D5的正极连接，所述片选信号端CE、数据信号端I/O和通信时钟信号SCLK分别与电能表处理单元的对应端连接；
所述充放电阻R6和采样电路并联，分别与所述防反二极管D5的负极连接；
所述超级电容C6的输入端与所述充放电阻R6的输出端连接，所述超级电容C6的输出端接地。
所述时钟芯片采用DS1302低功耗时钟芯片。
为克服以上电能表时钟备用电源的缺点，本发明采用美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DS1302，充分利用其双电源及内部可编程涓细电流充电电路的优势，发明了一种双超级电容时钟备用电源，在成本和功耗增加极其有限的情况下大大延长了时钟备用电源的持续时间。
DS1302是由美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V～5.5V。DS1302提供了主电源、后备电源双电源引脚，其中Vcc2为主电源，VCC1为后备电源，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，由Vcc2供电。当Vcc2小于Vcc1时，由Vcc1供电。
图4为DS1302时钟芯片典型工作电路。其中，CE为片选信号，I/O为数据
信号，SCLK为通信时钟信号，X1、X2为晶振信号。图3为DS1302时钟芯片内部结构图。由图可知，DS1302内部主要包括振荡电路模块、数据存储器RAM、命令和控制逻辑模块、输入移位寄存器和电源控制模块。
对本发明而言，重要的就是电源控制模块。其中，最重要的就是，该模块内部含有一个特殊的寄存器—涓流充电寄存器，通过对该寄存器进行编程，就可决定充电与否以及充电电流的大小。所以，涓流充电寄存器决定了DS1302的充电特性，图6为DS1302时钟芯片内部涓流充电电源电路图。
其中，TCS为涓流充电选择位，DS为二极管选择位，RS为电阻选择位。当TCS=1010时，使能涓流充电；当TCS为其它时，禁止涓流充电。DS1302时钟芯片刚上电时无涓流充电，需电能表处理对TCS位进行初始化配置为涓流充电模式。若DS=01，则选择一只二极管；若DS=10，则选择二只二极管；若DS=00或11，即使TCS=1010，充电功能也被禁止。若RS=01，则选择电阻R1=2KΩ；若RS=10，则选择电阻R2=4KΩ；若RS=11，则选择电阻R3=8KΩ；RS≠00。RS和DS是由外部VCC1和VCC2的最大充电电流决定的。
所述整流电路包括整流器V1、电容C1和电容C2；
所述变压器T1的初级输入端接220V市电；所述整流器V1的输入端与变压器T1的次级输出端相连；
所述电容C1和电容C2并联，其输入端分别与所述整流器V1的第三引脚连接，其输出端分别接地。
所述稳压电路包括三端稳压器U1、共阳极双二极管D1、共阳极双二极管D2、电容C3、电阻R1和超级电容C4；
所述三端稳压器U1的第一引脚与整流器V1的输出端连接，所述三端稳压器U1的第二引脚与共阳极双二极管D1的输入端连接，所述共阳极双二极管D1的输出端接地；
所述共阳极双二极管D2和电容C3并联；
所述电容C3的正极输入端与三端稳压器U1的第三引脚连接，所述电容C3的负极输出端接地；
所述共阳极双二极管D2的第三引脚与三端稳压器U1的第三引脚连接；
所述电阻R1和超级电容C4依次串接，所述电阻R1的输入端与所述共阳极双二极管D2的第一引脚连接，所述超级电容C4的输出端接地。
所述电容C1的输入端设有检测电路；
所述检测电路包括电阻R4和电阻R5；所述电阻R4的输入端与所述共阳极双二极管D2的第二引脚连接；所述电阻R5的输入端与电阻R4的输出端连接，所述电阻R5的输出端接地；
所述电能表处理单元连接在电阻R4与电阻R5之间。
所述采样电路包括共阴极双二极管D3、二极管D4、时钟电池、电阻R2、电阻R3和电容C5；
所述共阴极双二极管D3的第一引脚与所述共阳极双二极管D2的第一引脚连接，所述共阴极双二极管D3的第三引脚与电能表处理单元连接，所述二极管D4的负极输出端也与电能表处理单元连接，所述二极管D4的输入端接入5.7V电压；
所述电阻R3的一端与电池的正极连接，另一端与电能表处理单元连接；所述电容C5的一端与电能表处理单元连接，另一端接地；所述电阻R2的一端与电能表处理单元连接，另一端接地；所述电池的负极接地；所述共阴极双二极管D3的第二引脚连接在电阻R3与电池之间。
如图2所示，现有常用电能表时钟备用电源。电网电压经变压器T1隔离降压后接入整流模块V1的输入端，整流模块V1输出的直流电压V DC接入三端稳压器U1的输入端，三端稳压器的接地端通过共阳极双二极管D1接地，使三端稳压器的输出电压抬高到5.7V。三端稳压器的输出电压5.7V接入共阳极双二极管D2的阳极，双二极管D2的阴极之一输出电压VDD供电能表的通信模块等电路工作，另一阴极输出电压V B接入共阴极双二极管D3的其中一个阳极端，双二极管D3的另一个阳极端接时钟电池的正极，双二极管D3的阴极输出与5.7V经二极管D4的输出共同形成电能表处理单元CPU的主、辅电源，电能表时钟为CPU内置时钟。电阻R2、R3和电容C5构成时钟电池的降压采样电路，CPU通过该采样值判断时钟电池是否欠压。当时钟电池欠压时，电能表处理单元中会输出报警信号，以便即时更换时钟电池。
本发明为、防反二极管D5、超级电容C6、充放电电阻R6组成。同时，将图1中的V DC电源经电阻R4和R5分压后送CPU检测，以确定电能表是否断电。
本发明采用的双超级电容时钟备用电源电路工作原理如下：电能表初始上电时，CPU对时钟芯片DS1302的涓流充电寄存器配置如下：TCS=1010，DS=01，RS=01，即使能涓流充电、选择一只二极管、选择电阻R1=2KΩ，以便于对超级电容C6进行快速充电。由于DS1302的涓流充电电路中已包含一只二极管，为保证超级电容C6充电至尽可能高的电压，二极管D5应选用正向导通电压尽可能小的型号。当电能表断电时，因储能电容C1的作用，图2中三端稳压器U1的输出电压会逐渐下降为0V。可设置门限电压为9V，当CPU检测到V DC小于9V时，可认为电能表已断电，但此时CPU的工作电源VCC仍然处于正常工作状态，因此CPU还未进入低功耗状态，因此CPU迅速配置涓流充电寄存器的DS=10，RS=11，即选择二只二极管、选择电阻R3=8KΩ。当三端稳压器U1的输出电压为0时，若此时时钟电池也处于欠压状态，则电能表的时钟模块完全由超级电容C4和C6供电。当超级电容C6电压下降至一定值时，超级电容C4会通过涓流充电电路对其补充能量，从而大大延长了时钟模块的维持时间，保证了电能表计时的准确性。
该电路具有以下特性:（1）由于DS1302是一款通用的、廉价的时钟芯片，而且电能表数量很大，动辄十万只以上，因此批量采购DS1302时价格很低，因此不会对电能表成本增加很多；（2）DS1302工作时本来功耗就很低，2V时工作电流小于300nA，保持数据和时钟信息时功耗小于1mW。由于本发明中未用到其时钟功能，也不需要保持数据和时钟信息，也未外接晶振用于产生时钟。同时，在CPU对DS1302的涓流充电寄存器进行配置后，CPU与DS1302之间无需进行通信。因此，因本电路增加的功耗极低。（3）图1中，电能表正常工作时，VCC电源由三端稳压器U1的输出5.7V提供，因此对超级电容C4和C6的寿命影响很小。在时钟电池欠压时，电能表断电后全部由超级电容C4和C6提供电源。在满足功耗的前提下，CPU配置涓流充电寄存器的DS=10，RS=11，即选择二只二极管、选择电阻R3=8KΩ，充电回路电阻大，因此涓流充电电流很小，延长了超级电容C4和C6的寿命。
Claims (6)
1.一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路，包括变压器T1、整流电路、稳压电路和采样电路；其特征在于，还包括双超级电容时钟备用电源电路；
所述双超级电容时钟备用电源电路包括时钟芯片、电能表处理单元、防反二极管D5、超级电容C6和充放电阻R6；
所述时钟芯片包括主电源端Vcc2、后备电源端Vcc1、片选信号端CE、数据信号端I/O和通信时钟信号SCLK；所述主电源端Vcc2与稳压电路连接，所述后备电源端Vcc1与防反二极管D5的正极连接，所述片选信号端CE、数据信号端I/O和通信时钟信号SCLK分别与电能表处理单元的对应端连接；
所述充放电阻R6和采样电路并联，分别与所述防反二极管D5的负极连接；
所述超级电容C6的输入端与所述充放电阻R6的输出端连接，所述超级电容C6的输出端接地。
2.根据权利要求1所述的一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路，其特征在于，所述时钟芯片采用DS1302低功耗时钟芯片。
3.根据权利要求1所述的一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路，其特征在于，所述整流电路包括整流器V1、电容C1和电容C2；
所述变压器T1的初级输入端接220V市电；所述整流器V1的输入端与变压器T1的次级输出端相连；
所述电容C1和电容C2并联，其输入端分别与所述整流器V1的第三引脚连接，其输出端分别接地。
4.根据权利要求3所述的一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路，其特征在于，所述稳压电路包括三端稳压器U1、共阳极双二极管D1、共阳极双二极管D2、电容C3、电阻R1和超级电容C4；
所述三端稳压器U1的第一引脚与整流器V1的输出端连接，所述三端稳压器U1的第二引脚与共阳极双二极管D1的输入端连接，所述共阳极双二极管D1的输出端接地；
所述共阳极双二极管D2和电容C3并联；
所述电容C3的正极输入端与三端稳压器U1的第三引脚连接，所述电容C3的负极输出端接地；
所述共阳极双二极管D2的第三引脚与三端稳压器U1的第三引脚连接；
所述电阻R1和超级电容C4依次串接，所述电阻R1的输入端与所述共阳极双二极管D2的第一引脚连接，所述超级电容C4的输出端接地。
5.根据权利要求4所述的一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路，其特征在于，所述电容C1的输入端设有检测电路；
所述检测电路包括电阻R4和电阻R5；所述电阻R4的输入端与所述共阳极双二极管D2的第二引脚连接；所述电阻R5的输入端与电阻R4的输出端连接，所述电阻R5的输出端接地；
所述电能表处理单元连接在电阻R4与电阻R5之间。
6.根据权利要求4所述的一种电池可更换式智能电能表电源的超级电容应用电路，其特征在于，所述采样电路包括共阴极双二极管D3、二极管D4、时钟电池、电阻R2、电阻R3和电容C5；
所述共阴极双二极管D3的第一引脚与所述共阳极双二极管D2的第一引脚连接，所述共阴极双二极管D3的第三引脚与电能表处理单元连接，所述二极管D4的负极输出端也与电能表处理单元连接，所述二极管D4的输入端接入5.7V电压；
所述电阻R3的一端与电池的正极连接，另一端与电能表处理单元连接；所述电容C5的一端与电能表处理单元连接，另一端接地；所述电阻R2的一端与电能表处理单元连接，另一端接地；所述电池的负极接地；所述共阴极双二极管D3的第二引脚连接在电阻R3与电池之间。
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