CN109239453B - 一种输入功率侦测电路 - Google Patents

一种输入功率侦测电路 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种输入功率侦测电路，该电路包括：供电设备、电压转换VR模块、电感元件、负温度系数热敏电阻元件、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件。由于通过负温度系数热敏电阻、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件作为电感元件的补偿元件，可以得到供电设备和VR模块之间的电路中的稳定的等效电阻，通过该等效电阻可以侦测VR模块的输入功率，相比在供电设备和VR模块之间增加精密电阻以侦测输入功率的方法，其额外功率损失较小。因此，本申请实施例在准确侦测输入功率的同时，降低物料成本和整体功耗。

Description

一种输入功率侦测电路
技术领域
本发明涉及电路领域，特别是涉及一种输入功率侦测电路。
背景技术
现有技术中，通常通过供电设备为用电设备供电，在供电设备和用电设备之间，可以串联有电压转换(Voltage Regulator，VR)模块，用于实现直流电压的转换。在一些应用场景中，不仅需要获取VR模块的输出功率，还希望获取VR模块的输入功率，在VR模块的输入功率较高时，以实现对用电设备的工作状态的调整，实现对供电系统的过功率保护。
现有技术中为了侦测VR模块的输入功率，会引入精密电阻，侦测得到精密电阻两端的电压，结合精密电阻的电阻值可以计算得到通过精密电阻的电流，即供电设备与VR模块之间的电流，根据VR模块的输入电压，以及供电设备与VR模块之间的电流，可以计算得到VR模块的输入功率。然而，精密电阻的引入带来物料成本的提高，同时精密电阻串联在电路中，产生一定的功耗，系统的整体功耗也随之增加。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种输入功率侦测电路，以在准确侦测输入功率的同时，降低物料成本和整体功耗。
本申请实施例提供了一种输入功率侦测电路，所述电路包括：供电设备、电压转换VR模块、电感元件、负温度系数热敏电阻元件、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件；
所述供电设备用于通过所述VR模块为用电设备供电，所述电感元件串联在所述供电设备与所述VR模块之间；
所述第一电阻元件与所述负温度系数热敏电阻元件串联，形成第一电阻集；所述第二电阻元件与所述第一电阻集串联，形成第二电阻集，所述第二电阻集与所述电感元件并联；所述第三电阻元件与所述第一电阻集并联；所述电容元件与所述第一电阻集并联；
所述电容元件的两端与所述VR模块中的电流检测单元连接，所述电容元件靠近所述VR模块的一端与所述VR模块中的电压检测单元连接；
在所述供电设备工作时，所述电感元件的时间常数等于所述电容元件的时间常数；所述VR模块根据所述电流检测单元获取的输入电流和所述电压检测单元获取的输入电压，计算所述VR模块的输入功率。
可选的，所述在所述供电设备工作时，所述电感元件的时间常数等于所述电容元件的时间常数，包括：
在所述供电设备工作时，有如下公式：
L/RDCR＝CSENSE*REQ，
其中，所述L为所述电感元件的电感值，所述RDCR为所述电感元件的直流等效电阻值，所述CSENSE为所述电容元件的电容值，所述REQ为所述第二电阻集与第三电阻元件的等效电阻，所述REQ可通过如下公式表示：
REQ＝[(RPN*RSEQU)/(RSEQU+RPN)]，
其中，所述RSEQU为所述第二电阻元件的电阻值，所述RPN为所述负温度系统热敏电阻元件、所述第一电阻元件和所述第三电阻元件的等效电阻，所述RPN可通过如下公式表示：
RPN＝{[RPAR*(RNTC+RSERIES)]/(RPAR+RNTC+RSERIES)}，
所述RNTC为所述负温度系统热敏电阻元件的电阻值，所述RSERIES为所述第一电阻元件的电阻值，所述RPAR为所述第三电阻元件的电阻值。
可选的，所述电路还包括中央处理器，所述VR模块用于为所述中央处理器供电。
可选的，所述VR模块还用于：
在所述VR模块的输入功率大于或等于预设功率值时，向所述中央处理器告警。
可选的，所述电容元件的两端与所述VR模块中的电流检测单元连接，包括：
所述电容元件的两端与所述运算放大器的两个输入端分别连接，所述运算放大器的输出端与所述VR模块中的电流检测单元连接。
可选的，所述电容元件为陶瓷电容。
可选的，所述电路还包括第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端与所述电感元件的第一端连接，所述第一电容的第二端接地；所述第二电容的第一端与所述电感元件的第二端连接，所述第二电容的第二端接地。
本申请实施例提供了一种输入功率侦测电路，该电路包括：供电设备、电压转换VR模块、电感元件、负温度系数热敏电阻元件、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件。其中，供电设备用于通过VR模块为用电设备供电，电感元件串联在供电设备与VR模块之间；第一电阻元件与负温度系数热敏电阻元件串联，形成第一电阻集；第二电阻元件与第一电阻集串联，形成第二电阻集，第二电阻集与电感元件并联；第三电阻元件与第一电阻集并联；电容元件与第一电阻集并联；电容元件的两端与VR模块中的电流检测单元连接，电容元件靠近VR模块的一端与VR模块中的电压检测单元连接；在供电设备工作时，电感元件的时间常数等于所述电容元件的时间常数；VR模块根据所述电流检测单元获取的电流和电压检测单元获取的电压，计算VR模块的输入功率。由于通过负温度系数热敏电阻、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件作为电感元件的补偿元件，可以得到供电设备和VR模块之间的电路中的稳定的等效电阻，通过该等效电阻可以侦测VR模块的输入功率，相比在供电设备和VR模块之间增加精密电阻以侦测输入功率的方法，其额外功率损失较小，因此，本申请实施例在准确侦测输入功率的同时，降低物料成本和整体功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种侦测VR模块的输入功率的电路示意图；
图2为本申请实施例提供的一种侦测输入功率电路的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种侦测输入功率电路的实例图；
图4为本申请实施例提供的一种VR模块输入功率的帧测效果图。
具体实施方式
发明人经过研究发现，在通过供电设备为用电设备供电时，可以串联有VR模块，通过VR模块可以将供电设备输出的高电压转换为与用电设备适配的低电压，实现为用电设备的供电。在一些应用场景中，需要获取VR模块的输入功率，在VR模块的输入功率较高时，能够更及时的调整用电设备的工作状态，实现对供电系统的过功率保护。
现有技术中，为了侦测VR模块的输入功率，通常会引入精密电阻，侦测得到精密电阻两端的电压，结合精密电阻的电阻值可以计算得到通过精密电阻的电流，即供电设备与VR模块之间的电流，根据VR模块的输入电压，以及供电设备与VR模块之间的电流，可以计算得到VR模块的输入功率。
具体的，参考图1所示，为现有技术中一种侦测VR模块的输入功率的电路，其中，用电设备为中央处理器(CentralProcess Unit，CPU)，供电设备可以为可以是主板母线，主板母线可以提供12V的电压，VR模块可以将电压值调整为1.8V，从而为CPU充电。
具体的，主板母线与精密电阻Rsen的第一端连接，精密电阻Rsen的第二端与电感元件L的第一端连接，电感元件L的第二端与VR模块的电压输入Vin引脚连接，VR模块的电压输出Vout引脚与CPU的电源引脚Vcore连接。输入电流Iin从主板母线通过精密电阻Rsen和电感元件L，流向VR模块，通过VR模块进行电压转换，为CPU供电。
电感元件L的第一端连接第一电容C1的第一端，第一电容C1的第二端接地，电感元件L的第二端连接第二电容C2的第一端，第二电容C2的第二端接地。电感元件L、第一电容C1和第二电容C2构成π型滤波结构，用于去除电路中不必要的谐波，减少电流的脉动。
精密电阻Rsen的两端可以与运算放大器的两个输入端分别连接，运算放大器的输出端与VR模块的电流检测单元通过电流检测Iinsense功能引脚连接，运算放大器用于获取精密电阻Rsen两端的电压，并将该电压值放大，并发送给VR模块的电流检测单元，电流检测单元会根据精密电阻Rsen的电阻值计算输入电流Iin。精密电阻Rsen的第二端与VR模块的电压检测单元通过电压检测Vinsense功能引脚连接，用于获取VR模块的输入电压。
VR模块根据输入电压和输入电流，可以计算得到VR模块的输入功率。
VR模块的功率提醒PinAlert功能引脚可以与CPU的电平ProcHot引脚连接，在计算得到的输入功率大于或等于预设功率值时，PinAlert功能引脚可以向CPU发出低电平，使CPU触发降频的动作。
在以上侦测电路中，精密电阻的引入带来物料成本的提高，同时精密电阻的阻值通常较小，因此串联在电路中时，电路中的输入电流较大，会产生一定的功耗，因此系统的整体功耗也随之增加。
基于此，在本发明实施例中，提供了一种输入功率侦测电路，该电路包括：供电设备、电压转换VR模块、电感元件、负温度系数热敏电阻元件、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件。其中，供电设备用于通过VR模块为用电设备供电，电感元件串联在供电设备与VR模块之间；第一电阻元件与负温度系数热敏电阻元件串联，形成第一电阻集；第二电阻元件与第一电阻集串联，形成第二电阻集，第二电阻集与电感元件并联；第三电阻元件与第一电阻集并联；电容元件与第一电阻集并联；电容元件的两端与VR模块中的电流检测单元连接，电容元件靠近VR模块的一端与VR模块中的电压检测单元连接；在供电设备工作时，电感元件的时间常数等于所述电容元件的时间常数；VR模块根据所述电流检测单元获取的电流和电压检测单元获取的电压，计算VR模块的输入功率。由于通过负温度系数热敏电阻、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件作为电感元件的补偿元件，可以得到供电设备和VR模块之间的电路中的稳定的等效电阻，通过该等效电阻可以侦测VR模块的输入功率，相比在供电设备和VR模块之间增加精密电阻以侦测输入功率的方法，其额外功率损失较小因此，本申请实施例在准确侦测输入功率的同时，降低物料成本和整体功耗。
下面结合附图，通过实施例来详细说明本发明实施例中一种输入功率侦测电路的具体实现方式。
参考图2所示，为本申请实施例提供的一种输入功率侦测电路，该电路中包括：供电设备、电压转换VR模块、电感元件L、负温度系数热敏电阻元件RNTC、第一电阻元件RSERIES、第二电阻元件RSEQU、第三电阻元件RPAR和电容元件CSENSE。
其中，供电设备用于通过VR模块为用电设备供电，可以是主板P12V母线，用电设备可以是CPU，除此之外，供电设备和用电设备也可以是其他设备，在此不做限定。
主板P12V母线和VR模块中串联有电感元件L，电感元件L可以等效为等效电感L和电感元件的直流等效电阻RDCR，电感元件L的恒温特性通常较差，随着输入电流的增加，电感元件L的温度升高，电感元件L的直流等效电阻RDCR升高，相同输入电流的情况下，由于在电感元件L两侧的压差变大，通过电感元件L两侧的电压与电感元件L在低温时的直流等效电阻得到的VR模块的输入电流，相较于VR模块的实际输入电流偏大。
在本申请实施例中，可以为电感元件L增加温度补偿元件，温度补偿元件包括负温度系数热敏电阻元件RNTC、第一电阻元件RSERIES、第二电阻元件RSEQU、第三电阻元件RPAR和电容元件CSENSE。具体的，第一电阻元件RSERIES与负温度热敏电阻元件RNTC串联，形成第一电阻集，第二电阻元件RSEQU与第一电阻集串联，形成第二电阻集，第二电阻集与电感元件L并联；第三电阻元件RPAR与第一电阻集并联，电容元件CSENSE与第一电阻集并联。
其中，负温度系数热敏电阻元件RNTC的特性在于，其阻值随着温度的提升而降低，负温度系数热敏电阻RNTC与电感元件L并联，对电感元件L进行温度补偿，然而，负温度系数热敏电阻元件RNTC的温度特性通常是非线性的，因此，可以通过第一电阻元件RSERIES、第二电阻元件RSEQU和第三电阻元件RPAR来进行补偿，使供电设备和VR模块之间的等效电阻的温度特性曲线更加线性。
第一电阻元件RSERIES、第二电阻元件RSEQU和第三电阻元件RPAR可以为0402封装电阻，电容元件CSENSE可以为陶瓷电容，具体的，可以是125℃以上规格的陶瓷电容，以具有更稳定的电容容值。
电容元件CSENSE的两端与VR模块中的电流检测单元连接，用于检测通过电容元件CSENSE的电流作为VR模块的输入电流。具体的，电流检测单元可以获取电容元件CSENSE两端的电压，根据电容元件两端的电压，以及负温度系统热敏电阻元件RNTC、第一电阻元件RSEQU和第三电阻元件RPAR的等效电阻，计算得到VR模块的输入电流。
为了输入电流的测量准确性，在电流检测单元中可以设置有运算放大器，用于放大电容元件CSENSE两端的电压，通过放大后的电压计算得到VR模块的输入电流；当然，也可以是在电容元件CSENSE和VR模块中的电流检测单元之间连接运算放大器，具体的，运算放大器的两个输入端分别与电容元件CSENSE的两端连接，运算放大器的输出端与VR模块中的电流检测单元连接。
电容元件CSENSE靠近VR模块的一端与VR模块中的电压检测单元连接，用于检测VR模块的输入电压。
在本申请实施例中，通过对电感元件L、负温度系数热敏电阻元件RNTC、第一电阻元件RSERIES、第二电阻元件RSEQU、第三电阻元件RPAR和电容元件CSENSE进行选择，使供电设备工作时，电感元件L的时间常数等于电容元件CSENSE的时间常数，则VR模块可以根据电流检测单元获取的输入电流和电压检测单元获取的输入电压，计算VR模块的输入功率。
基于以上电路，电感元件的时间常数等于电容元件的时间常数，通过公式可表示为：
L/RDCR＝CSENSE*REQ， (1)
其中，L为电感元件的电感值，RDCR为电感元件的电感元件的直流等效电阻值，CSENSE为电容元件的电容值，REQ为第二电阻集与第三电阻元件RPAR的等效电阻，而REQ可通过如下公式表示：
REQ＝[(RPN*RSEQU)/(RSEQU+RPN)]， (2)
其中，RSEQU为第二电阻元件的电阻值，RPN为负温度系统热敏电阻元件RNTC、第一电阻元件RSEQU和第三电阻元件RPAR的等效电阻，而RPN可通过如下公式表示：
RPN＝{[RPAR*(RNTC+RSERIES)]/(RPAR+RNTC+RSERIES)}， (3)
RNTC为负温度系数热敏电阻元件的电阻值，RSERIES为第一电阻元件的电阻值，RPAR为第三电阻元件的电阻值。
考虑电感元件L的分压比，令有效的电感等效电阻为RCS(eff)，则：
RCS(eff)＝RDCR*[RPN/(RSEQU+RPN)]， (4)
因此，随着通过电感元件L的电流的增大，通过负温度系数热敏电阻元件RNTC的电流减小，因此，电感元件L的温度升高，负温度系数热敏电阻元件RNTC的温度也升高，但电感元件L的阻值增大，负温度系数热敏电阻元件RNTC的阻值减小，而有效的电感等效电阻RCS(eff)基本保持不变。因此保证了在VR模块的负载不同时输入功率的侦测准确性，避免高电流下电感元件L温升带来的不良影响。
为了对供电电路进行滤波，所述电路还包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1的第一端与电感元件L的第一端连接，第一电容C1的第二端接地；第二电容C2的第一端与电感元件L的第二端连接，第二电容C2的第二端接地。
在VR模块计算得到的输入功率大于或等于预设功率值时，可以向CPU告警，其中，预设功率值可以根据实际情况来定，告警的方式可以是向CPU发出低电平。
作为一种示例，参考图3所示，为本申请实施例提供的一种侦测电路的实例图，其中，电感元件的电感值L26＝0.1μH，饱和电流40A，电感元件的直流等效电阻为0.28mΩ；电感元件两侧为第一电容和第二电容。
第二电阻元件的电阻值RSEQU＝R687＝499Ω；
负温度系数热敏电阻元件的电阻值RNTC＝R688＝10kΩ(其B值为3650K)；
第一电阻元件的阻值RSERIES＝R3277＝3.48kΩ；
第三电阻元件的电阻值RPAR＝R3276＝2.37kΩ；
电容元件的电容值Csense＝C496＝0.018uF。
其中：C496所用电容材料为温度稳定型的陶瓷电容，例如型号为X7R，耐温为125℃，耐温特性较好。
本实施例中所用的运算放大器型号为INA193AIDBVR。
通过上述公式计算RCS(eff)＝0.224mΩ。
参考图4所示为本申请实施例提供的一种VR模块输入功率的侦测效果图，该图中，横坐标为较准确的实测输入功率，纵坐标为通过本申请实施例提供的输入功率测试电路侦测得到的VR模块的侦测输入功率。图4中，PINMAX(W)limit为预设的VR模块最大实测输入功率，PinMIN(W)limit为预设的VR模块最小实测输入功率，IdealPin为通过计量设备测量得到的VR模块的实测输入功率，其斜率为1，Reported Pin(W)by SVID Bus表示通过本申请实施例提供的输入功率测试电路侦测得到的VR模块的输入功率，其斜率表示侦测输入功率与实测输入功率的比值，斜率越接近1,，表示侦测输入功率与实测输入功率越吻合，侦测输入功率越准确。由图可知，侦测输入功率均在预设的VR模块最大实测输入功率和预设的VR模块最小实测输入功率之内，且与实测功率的比值接近1，符合要求。
在本申请实施例中，由于通过负温度系数热敏电阻、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件作为电感元件的补偿元件，可以得到供电设备和VR模块之间的电路中的稳定的等效电阻，通过该等效电阻可以侦测VR模块的输入功率，相比在电源总线中增加精密功率电阻侦测输入功耗的方法，其额外功率损失较小，因此，本申请实施例在准确侦测输入功率的同时，降低物料成本和整体功耗。
本发明实施例中提到的“第一……”、“第一……”等名称中的“第一”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一。该规则同样适用于“第二”等。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-only memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例和设备实施例而言，由于其基本相似于系统实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种输入功率侦测电路，其特征在于，所述电路包括：供电设备、电压转换VR模块、电感元件、负温度系数热敏电阻元件、第一电阻元件、第二电阻元件、第三电阻元件和电容元件；
所述供电设备用于通过所述VR模块为用电设备供电，所述电感元件串联在所述供电设备与所述VR模块之间；
所述第一电阻元件与所述负温度系数热敏电阻元件串联，形成第一电阻集；所述第二电阻元件与所述第一电阻集串联，形成第二电阻集，所述第二电阻集与所述电感元件并联；所述第三电阻元件与所述第一电阻集并联；所述电容元件与所述第一电阻集并联；
所述电容元件的两端与所述VR模块中的电流检测单元连接，所述电容元件靠近所述VR模块的一端与所述VR模块中的电压检测单元连接；
在所述供电设备工作时，所述电感元件的时间常数等于所述电容元件的时间常数；所述VR模块根据所述电流检测单元获取的输入电流和所述电压检测单元获取的输入电压，计算所述VR模块的输入功率。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述在所述供电设备工作时，所述电感元件的时间常数等于所述电容元件的时间常数，包括：
在所述供电设备工作时，有如下公式：
L/RDCR＝CSENSE*REQ，
其中，所述L为所述电感元件的电感值，所述RDCR为所述电感元件的直流等效电阻值，所述CSENSE为所述电容元件的电容值，所述REQ为所述第二电阻集与第三电阻元件的等效电阻，所述REQ可通过如下公式表示：
REQ＝[(RPN*RSEQU)/(RSEQU+RPN)]，
其中，所述RSEQU为所述第二电阻元件的电阻值，所述RPN为所述负温度系统热敏电阻元件、所述第一电阻元件和所述第三电阻元件的等效电阻，所述RPN可通过如下公式表示：
RPN＝{[RPAR*(RNTC+RSERIES)]/(RPAR+RNTC+RSERIES)}，
所述RNTC为所述负温度系统热敏电阻元件的电阻值，所述RSERIES为所述第一电阻元件的电阻值，所述RPAR为所述第三电阻元件的电阻值。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括中央处理器，所述VR模块用于为所述中央处理器供电。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述VR模块还用于：
在所述VR模块的输入功率大于或等于预设功率值时，向所述中央处理器告警。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的电路，其特征在于，所述电容元件的两端与所述VR模块中的电流检测单元连接，包括：
所述电容元件的两端与运算放大器的两个输入端分别连接，所述运算放大器的输出端与所述VR模块中的电流检测单元连接。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的电路，其特征在于，所述电容元件为陶瓷电容。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第一电容和第二电容，所述第一电容的第一端与所述电感元件的第一端连接，所述第一电容的第二端接地；所述第二电容的第一端与所述电感元件的第二端连接，所述第二电容的第二端接地。
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