CN111092478B - 一种电源扩容装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电源扩容装置及方法，包括内置电源、扩容电源、连接器、过压保护电路、PMOS晶体管以及充电阈值控制电路，扩容电源通过所述连接器并联接入供电线路，内置电源与扩容电源之间可以互相充电，可设定内部电源充放电阈值，防止因为扩容电源的接入而导致内置电源欠压和不正常工作，也可以利用其他能量来源为内置电源或扩容电源进行充电储能，可实现终端设备电源的自由、方便扩容以及能源的充分利用，无需额外ADC检测单元参与以及MCU、IO口及软件逻辑控制，节省系统资源，电路复杂度低，成本低。本发明可用于小容量物联网终端设备的电源扩容，用来延长终端设备工作时间。

Description

一种电源扩容装置及方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种电源扩容装置及方法。

背景技术

移动电子终端设备作为物联网的主要信息载体，具备数量多、分布广，功耗低等特征。电子信息技术突飞猛进，物联网用户数量与终端设备爆发式增长，给现代人的生活带来来了巨大的变化。与此同时，也催生出了各种各样的终端设备电源及储能解决方案。传统电子设备可采用市电、电源适配器等方式供电。移动电子设备通常会使用纽扣电池、锂电池等化学电池来提供电能。而在当今的愈发复杂的物联网生态中，如何满足就各种环境下的终端的供电要求，成为物联网设备部署过程中亟需解决的一个基础性问题。

现今的物联网终端电源解决方案大致有两个优化的方向：一是提高电源储能容量和可持续供电，如采用高能量密度的新型复合电池供电，或采用太阳能电池板加储能装置为设备持续供电等。二是降低终端设备的功耗，如新兴的NB-IoT、BLE等技术方案在软、硬件的降低功耗上做了大量努力与工作，使得终端的持续工作时间相比之前大大增加。尽管如此，仍有一些场景中的设备供电需求无法满足。

现有技术中，公开号为CN101447691A（公开日为2009年6月3日）的中国发明专利公开了一种扩容电源的切换电路及其控制方法，适用于便携式产品设备的扩容电源与电池之间的可靠切换。可实现电池电压低于、等于或高于扩容电源电压下的电源切换，其设计的扩容电源与蓄电池都可以通过一供电母线给用电设备供电，此技术中所述切换电路包含两个开关电路和一个控制电路，其两个开关电路中，一个串联在蓄电池与供电母线之间；另外一个串联在扩容电源与供电母线之间。其控制电路用于控制切换上述两个开关电路的导通与关断。

现有技术中扩容电源无法通过电路给内置储能设备充电，当扩容电源为可充电储能器件时，内置储能设备无法通过电路给外置设备充电，扩容电源的切换需要检测单元等部件配合完成，需要MCU、ADC电路及软件配合实现开关控制，因此其控制逻辑复杂，电路设计难度高，元器件数量多，生产制作成本较高。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种电源扩容装置及方法，能够实现一种物联网终端设备的电源扩容，适用于小容量物联网终端设备的电源扩容，用来延长终端设备工作时间。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电源扩容装置，所述装置包括内置电源、扩容电源、连接器、过压保护电路、PMOS晶体管以及充电阈值控制电路；所述扩容电源通过所述连接器并联接入供电线路，所述PMOS晶体管栅极连接所述充电阈值控制电路，所述PMOS晶体管源极连接所述内置电源，所述过压保护电路连接在所述扩容电源与所述PMOS晶体管漏极之间。

进一步地，所述扩容电源为超级电容器或可充电电池；所述内置电源为超级电容器或可充电电池。

进一步地，当所述扩容电源为可充电电池时，所述电源扩容装置还包括充电管理芯片，所述充电管理芯片与扩容电源串联连接。

进一步地，所述充电阈值控制电路用于调整内置电源给所述扩容电源充电时的放电电压阈值，当内置电源电压大于所述放电电压阈值时，所述充电阈值控制电路控制所述PMOS晶体管开启，内置电源对所述扩容电源进行充电，当内置电源电压小于或等于所述放电电压阈值时, 内置电源停止对所述扩容电源进行充电。

进一步地，所述装置还包括防静电防电涌保护器件，所述防静电防电涌保护器件用于所述扩容电源热插拔保护。

进一步地，所述过压保护电路用于维持内置电源电压。

进一步地，所述内置电源用于连接负载电源总线给负载供电。

进一步地，所述内置电源、扩容电源可通过发电装置或外接电源充电。

进一步地，所述发电装置通过线性稳压器连接所述内置电源；所述外接电源通过DC/DC转换器连接所述内置电源。

另外，本发明还提供了一种电源扩容方法，所述方法包括：

将扩容电源连通过连接器并联接入供电线路，PMOS晶体管栅极连接充电阈值控制电路，PMOS晶体管源极连接内置电源，过压保护电路连接于扩容电源在所述PMOS晶体管漏极之间；调整所述内置电源给所述扩容电源充电时的放电电压阈值，当内置电源电压大于所述放电电压阈值时，所述充电阈值控制电路控制所述PMOS晶体管开启，内置电源对所述扩容电源进行充电，当内置电源电压小于或等于所述放电电压阈值时, 所述充电阈值控制电路控制所述PMOS晶体管关闭，内置电源停止对所述扩容电源进行充电。

本发明提供了一种电源扩容装置及方法，包括内置电源、扩容电源、连接器、过压保护电路、PMOS晶体管以及充电阈值控制电路，扩容电源通过所述连接器并联接入供电线路，内置电源与扩容电源之间可以互相充电，可设定内部电源充放电阈值，防止因为扩容电源的接入而导致内置电源欠压和不正常工作，本发明也可以利用其他能量来源为内置电源或扩容电源进行充电储能，可实现终端设备电源的自由、方便扩容以及能源的充分利用，无需额外ADC检测单元参与以及MCU、IO口及软件控制，节省系统资源，电路复杂度低，成本低。本发明能够实现一种物联网终端设备的电源扩容，适用于小容量物联网终端设备的电源扩容，用来延长终端设备工作时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电源扩容装置示意图；

图2为本发明第一个实施例的电源扩容装置示意图；

图3为本发明第二个实施例的电源扩容装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图3，图1为本发明电源扩容装置示意图；图2为本发明第一个实施例的电源扩容装置示意图；图3为本发明第二个实施例的电源扩容装置示意图。

实施例一

如图1-2所示，一种电源扩容装置，所述装置包括超级电容器1、超级电容器2、连接器、过压保护电路、PMOS晶体管以及充电阈值控制电路；所述扩容电源通过所述连接器并联接入供电线路，所述PMOS晶体管栅极连接所述充电阈值控制电路，所述PMOS晶体管源极连接所述内置电源，所述过压保护电路连接在所述扩容电源与所述PMOS晶体管漏极之间。

本发明将电源扩容装置应用于一种具备太阳能采集功能的物联网智能终端设备中。扩容电源通过连接器并联到内部设备供电线路上，线路上包含ESD/TVS（防静电/防浪涌）保护器件、PMOS晶体管及充电阈值控制电路。扩容电源与充电管理芯片串联，然后通过上述保护、控制电路与内置电源并联。内置电源连接到负载电源总线，给相关设备提供工作所需电能。外接电源通过LDO（线性稳压器）、二极管连接到内置电源和系统负载电源总线。发电装置通过DC/DC转换器、二极管连接到内置电源。

其中，超级电容器1是内置电源。其中，超级电容器2是扩容电源，连接到连接器，支持热拔插。

充电阈值控制电路为参数可调电路，它用于调整超级电容器1给超级电容器2充电时的放电电压阈值Vt。当超级电容器1电压>Vt时，此充电阈值控制电路控制PMOS晶体管开启，超级电容器1可以超级电容器2进行充电；当超级电容器1电压<=Vt时,停止对扩容电源超级电容器2进行充电，以保证负载系统正常供电。充电阈值控制电路的开关控制逻辑由电路本身的特性参数决定，不需要ADC检测电路及MCU软件控制逻辑的参与。从而进一步节省了硬件资源及MCU资源。

当接入的超级电容器2的电压高于超级电容器1电压时，超级电容器2会通过PMOS上的D(漏极)、S（源极）之间寄生二极管向超级电容器1充电。且一旦超级电容器2电压高于超级电容器1上的电压，超级电容器2电压便会给超级电容器1充电，这个与Vt的田间无关，这种只出现在情况出现在扩容电源第一次接入设备时。当接入了扩容的超级电容器2后，除刚接入时超级电容器2电压会高于超级电容器1电压，平时正常工作时，超级电容器1与超级电容器2相当于并联，超级电容器1电压大部分时间高于Vt且保持超级电容器2电压也高于Vt，只有在两个电源电量都耗尽的情况下会重复开始充电，因此本发明可以避免两个超级电容重复相互充电的问题。Vt防止接入的扩容电源超级电容器2为容量较大且为空电量时，快速拉低超级电容器1上的电压，导致设备供电电压迅速降低，设备无法工作。

PMOS晶体管串联在超级电容器1与超级电容器2之间，受控于充电阈值控制电路。采用PMOS晶体管可实现良好的电源隔离。PMOS晶体管导通时拥有极低的导通电阻，相比于其他晶体管器件，可容许较大的通过电流并产生更小的线上损耗。

其中，TVS/ESD二极管用于接口处的热拔插保护。超级电容器2通过电子接口接入设备电源系统时，有可能会产生大电流冲击，对设备正常工作产生影响或损坏内部IC。同时裸露的电子接口有可能产生静电。因此，在超级电容器2接入端，需要添加TVS/ESD防护措施。

其中，过压保护电路连接在超级电容器2与PMOS晶体管之间，用于保护内部电路，当超级电容器2电压高于内部电路所允许的电压范围时，过压保护电路会把接入电压维持在指定电压值（内部电路所允许的电压阈值），并将多余的功率释放掉，从而达到保护内部电路和芯片的目的。

其中，发电装置是太阳能电池板，通过DC/DC、充电管理芯片、二极管给超级电容器1或超级电容器2进行充电。

其中，外接电源是12V以下化学电池或电源适配器。通过LDO、二极管连接到内置电源及负载电源总线。外接电源可为超级电容器1或超级电容器2进行充电。并给设备负载供电，保证设备持续工作。

实施例二

如图1、3所示，一种电源扩容装置，所述装置包括超级电容器1、锂电池、连接器、过压保护电路、PMOS晶体管以及充电阈值控制电路；所述扩容电源通过所述连接器并联接入供电线路，所述PMOS晶体管栅极连接所述充电阈值控制电路，所述PMOS晶体管源极接所述内置电源，所述过压保护电路连接于所述扩容电源与所述PMOS晶体管漏极之间。

本发明将电源扩容装置应用于一种具备太阳能采集功能的物联网智能终端设备中。扩容电源通过连接器并联到内部设备供电线路上，线路上包含ESD/TVS（防静电/防浪涌）保护器件、PMOS晶体管及充电阈值控制电路。扩容电源与充电管理芯片串联，然后通过上述保护、控制电路与内置电源并联。内置电源连接到负载电源总线，给相关设备提供工作所需电能。外接电源通过LDO（线性稳压器）、二极管连接到内置电源和系统负载电源总线。发电装置通过DC/DC转换器、二极管连接到内置电源。

其中，超级电容器1是内置电源。其中，锂电池是扩容电源，连接到连接器，支持热拔插。

充电管理芯片连接在PMOS晶体管与扩容充电源之间。用于控制管理超级电容器1对锂电池充电的电流、电压参数。当接入扩容电源为锂电池时，由于锂电池的充电电压（一般为4.2V），不同于超级电容器（0-5.5V变化），因此超级电容器1作为充电电源，需要经过锂电池充电管理芯片实现升降压和电压、电流 管控等，实现正常的充电功能。此时锂电池内储存的电量无法直接通过PMOS上的寄生二极管直接给超级电容器1供电，而是经过LDO给系统或超级电容器1供电。

充电阈值控制电路为参数可调电路，它用于调整超级电容器1给锂电池充电时的放电电压阈值Vt。当超级电容器1电压>Vt时，此充电阈值控制电路控制PMOS晶体管开启，超级电容器1可以锂电池进行充电；当超级电容器1电压<=Vt时,停止对锂电池进行充电，以保证负载系统正常供电。充电阈值控制电路的开关控制逻辑由电路本身的特性参数决定，不需要ADC检测电路及MCU软件控制逻辑的参与。从而进一步节省了硬件资源及MCU资源。

其中，PMOS晶体管串联在超级电容器1与锂电池之间，受控于充电阈值控制电路。采用PMOS晶体管可实现良好的电源隔离。PMOS晶体管导通时拥有极低的导通电阻，相比于其他晶体管器件，可容许较大的通过电流并产生更小的线上损耗。

其中，TVS/ESD二极管用于接口处的热拔插保护。锂电池通过电子接口接入设备电源系统时，有可能会产生大电流冲击，对设备正常工作产生影响或损坏内部IC。同时裸露的电子接口有可能产生静电。因此，在超级电容器2接入端，需要添加TVS/ESD防护措施。

其中，过压保护电路连接在锂电池与PMOS晶体管之间，用于保护内部电路，当接入的锂电池电压高于内部电路所允许的电压范围时，过压保护电路会把接入电压维持在指定电压值（内部电路所允许的电压阈值），并将多余的功率释放掉，从而达到保护内部电路和芯片的目的。

其中，发电装置是太阳能电池板，通过DC/DC充电管理芯片、二极管给超级电容器1进行充电。

其中，外接电源是12V以下化学电池或电源适配器。通过LDO、二极管连接到内置电源及负载电源总线。外接电源可为超级电容器1进行充电。并给设备负载供电，保证设备持续工作。

本发明的电源扩容装置可随时接入到终端设备电路中，不影响设备被电路正常工作，扩容电源容量可达设备内置电源数倍，大大提高了终端设备的持续工作时间与待机时间，扩容电源支持多种可充电电池。同时本发明电路也支持适配器电源、干电池等不可充电电源的接入。增加了系统供电灵活性，同时支持电源适配器接入，当系统接入电源适配器时，可为终端设备内置电源和扩容电源提供储能来源，使得用电设备可以满足室内供电或室外能量采集等多种供电场景。本发明可利用充电装置（如太阳能、电源适配器）同时为内置电源与扩容电源充电，大大增加了能源的利用率。本发明扩容电源为可充电储能器件时，内置电源可通过电路给扩容电源充电，扩容电源可通过电路给内置电源充电。此外，本发明充电阈值控制电路由电路本身特性实现电路开关功能，无需额外ADC检测单元参与，无需MCU、IO口及软件逻辑控制，节省系统资源，电路复杂度低，成本低。

实施例三

另外，本发明还提供了一种电源扩容方法，所述方法包括：

将扩容电源通过连接器并联接入供电线路，PMOS晶体管栅极连接充电阈值控制电路，PMOS晶体管源极接内置电源，过压保护电路连接于扩容电源与所述PMOS晶体管漏极间；调整所述内置电源给所述扩容电源充电时的放电电压阈值，当内置电源电压大于所述放电电压阈值时，所述充电阈值控制电路控制所述PMOS晶体管开启，内置电源对所述扩容电源进行充电，当内置电源电压小于或等于所述放电电压阈值时, 所述充电阈值控制电路控制所述PMOS晶体管关闭，内置电源停止对所述扩容电源进行充电。

充电阈值控制电路为参数可调电路，它用于调整超级电容器1给锂电池充电时的放电电压阈值Vt。当超级电容器1电压>Vt时，此充电阈值控制电路控制PMOS晶体管开启，超级电容器1可以锂电池进行充电；当超级电容器1电压<=Vt时,停止对锂电池进行充电，以保证负载系统正常供电。充电阈值控制电路的开关控制逻辑由电路本身的特性参数决定，不需要ADC检测电路及MCU软件控制逻辑的参与。从而进一步节省了硬件资源及MCU资源。

本发明提供了一种电源扩容装置及方法，包括内置电源、扩容电源、连接器、过压保护电路、PMOS晶体管以及充电阈值控制电路，扩容电源通过所述连接器并联接入供电线路，内置电源与扩容电源之间可以互相充电，可设定内部电源充放电阈值，防止因为扩容电源的接入而导致内置电源欠压和不正常工作，也可以同时利用其他能量来源为内置电源或扩容电源进行充电储能，可实现终端设备电源的自由、方便扩容，并实现能源的充分利用；本发明充电阈值控制电路由电路本身特性实现电路开关功能，无需额外ADC检测单元参与，无需MCU、IO口及软件控制，节省系统资源，电路复杂度低，成本低。本发明能够实现一种物联网终端设备的电源扩容，适用于小容量物联网终端设备的电源扩容，用来延长终端设备工作时间。

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。

以上对本发明所提供的电源扩容装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1. 一种电源扩容装置，其特征在于，所述装置包括内置电源、扩容电源、连接器、过压保护电路、PMOS晶体管、充电阈值控制电路以及防静电防电涌保护器件；所述连接器连接在扩容电源和所述防静电防电涌保护器件之间，所述扩容电源通过所述连接器并联接入供电线路；所述防静电防电涌保护器件为TVS/ESD 二极管，用于所述扩容电源的热插拔保护；所述过压保护电路用于维持内置电源电压；所述 PMOS 晶体管的栅极连接所述充电阈值控制电路，源极连接所述内置电源；所述过压保护电路连接在所述扩容电源与所述 PMOS 晶体管漏极之间；所述充电阈值控制电路为参数可调电路，用于调整内置电源给所述扩容电源充电时的放电电压阈值，当内置电源电压大于所述放电电压阈值时，所述充电阈值控制电路控制所述PMOS晶体管开启，内置电源对所述扩容电源进行充电，当内置电源电压小于或等于所述放电电压阈值时, 内置电源停止对所述扩容电源进行充电，以保证负载系统正常供电；所述充电阈值控制电路的开关控制逻辑由电路本身的特性参数决定，不需要 ADC 检测电路及 MCU 软件控制逻辑的参与；外接电源通过线性稳压器连接所述内置电源，发电装置通过DC/DC 转换器连接所述内置电源，所述扩容电源通过发电装置或外接电源充电。

2.根据权利要求1所述的电源扩容装置，其特征在于，所述扩容电源为超级电容器或可充电电池；所述内置电源为超级电容器或可充电电池。

3.根据权利要求1所述的电源扩容装置，其特征在于，当所述扩容电源为可充电电池时，所述电源扩容装置还包括充电管理芯片，所述充电管理芯片与扩容电源串联连接。

4.根据权利要求1所述的电源扩容装置，其特征在于，所述内置电源用于连接负载电源总线给负载供电。

Images