CN113934285A - 一种低功耗传感器中芯片的启动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种低功耗传感器中芯片的启动装置及方法，通过延迟产生启动信号使配电线路上设备中的芯片在较高的电压下开始工作。芯片的启动装置包括电压检测芯片、延时模块，电源装置的电压输出大于检测电压VDF时，电压检测芯片输出高电平；延时模块检测到电平由低变高时，触发计时，计时结束，输出高电平，触发被控芯片进入工作状态。采用本发明的技术方案，根据电源特性和芯片特性，在恰当的电压输出时启动芯片，节省时间，保证芯片处于稳定状态，且不会频繁启动；供电线路中没有开关，避免了开关开启是带来的震荡和过冲等问题，降低设计难度和产品成本；芯片从复位状态转为正常运行，期间电源电压波形较为平稳。

Description

一种低功耗传感器中芯片的启动装置及方法
技术领域
本发明涉及芯片控制领域，特别涉及在配电线路上CT取电的情况下，通过延迟产生启动信号使配电线路上传感器设备中的芯片在较高的电压下开始工作的电路和方法。
背景技术
随着电力技术的发展，工作在高压输电线路上的电气设备也越来越多，如电力线路在线检测、线路设备防盗、低功耗环境监测传感器等线上装置，其供电一般采用CT 取电装置。
CT 取电装置一般包括CT取电设备及储能器件，储能器件为电池或电容，储能器件连接线上装置，为其供电。
CT取电设备获取的电流一般为几十uA，而电力线路上的设备一般采用低功耗器件，正常工作时的电流很小，CT 取电装置能稳定地为线上设备供电。
但在设备运行初期，储能器件的电压逐渐升高，当到达芯片的临界工作电压时，芯片会启动。
芯片在处于低功耗状态时，工作电流很低，一般为几uA或十几uA。但是芯片需要运行对应的代码才能进入低功耗状态，而从芯片开始启动到进入低功耗状态之间要先执行芯片的初始化代码，这段时间芯片处于正常运行状态，此时工作电流较大，是毫安级别。CT取电装置的储能器件只能储存很少的能量，正常运行的芯片会拉低储能器件电压。如不做处理，当储能器件提供的供电电压刚超过芯片的临界工作电压，芯片启动，开始初始化，拉低储能器件输出电压，导致芯片的供电电压低于临界工作电压，芯片停止工作，直到储能器件的输出电压再次超过芯片临界工作电压，芯片重新初始化，又因供电电压降低停止工作，系统一直在此循环无法正常启动。
目前采用的解决方案是控制电源的供电时机：在设备工作初期断开CT取电装置和线上设备的连接；经过一段时间的取电和存储，储能器件的电压输出足够高时，表明其中电能充足，此时连接CT取电装置和线上设备，为线上设备供电，可以支撑设备的启动过程而不会产生频繁启动的现象发生。
控制电源主要有几个问题：
1、控制电源开关，目前开关多用MOS管等半导体器件，开启和关闭有一定的时间，导致在电源开启的瞬间芯片供电电压仍然存在上升时间，需要根据不同芯片上电要求优化上升时间。另外根据负载运行情况，在开关瞬间电源电压波形会出现震荡和过冲，需要设计时注意参数的匹配，增加了设计难度。
2、增加了开关器件，小尺寸产品对空间较敏感，增加的器件使设计难度增大。
3、电源到达阈值后再开启供电，按照芯片设计要求仍然需要复位信号延时一段时间再运行，延时时间一般为百毫秒级别，降低了启动时间，不适合在对启动时间要求较高的设计。
4、控制电源的方案中，对电源器件的瞬态响应特性要求较高，为防止开启瞬间负载将电源电压拉低较多导致开关信号复位、系统重启，需要选择性能好的电源器件，这样会增加成本。
发明内容
为解决上述问题，提出了本发明。
本发明采用以下技术方案：
一种低功耗传感器中芯片的启动装置，由电源装置供电，所述芯片的启动装置包括电压检测芯片、延时模块，电压检测芯片连接电源装置的电压输出，电压检测芯片的输出端连接延时模块，延时模块的输出端通过或门连接被控芯片的Reset管脚，所述被控芯片由所述电源装置供电。
电源装置的电压输出大于检测电压VDF时，电压检测芯片输出高电平；延时模块检测到电平由低变高时，触发计时，计时结束后，输出高电平。
所述被控芯片的I/O管脚连接所述或门的输入端。
进一步地，所述电源装置为CT取电装置，包括CT取电设备和储能器件。
基于上述装置，本发明还提出了一种低功耗传感器中芯片的启动方法，低功耗传感器中的芯片为被控芯片，所述方法包括以下步骤：
A、设定所述检测电压VDF大于所述被控芯片的临界工作电压V1；
B、设定电压值V2，根据电源装置的电压曲线，得到电压从VDF上升到V2的时间T，设置所述延时模块的延时为T；
C、所述被控芯片启动后，连接所述或门输入端的I/O管脚输出高电平。
步骤B中，电压值V2的设置原则：根据被控芯片启动过程的功耗和电源装置的特性，得到芯片在电压为V2开始启动的过程中，电源装置输出的最低电压大于V1。
在设备开始工作后， CT取电装置输出电流给储能器件充电，储能器件的输出电压逐渐上升，当储能器件的输出电压高于电压检测芯片的检测电压VDF时，电压检测芯片输出高电平，启动延时模块工作；延时模块计时结束后，储能器件的输出电压达到V2，此时延时模块输出高电平；被控芯片在电源电压大于V1，reset管脚低电平时，一直处于复位状态，当Reset脚检测到电平由低变高后，复位过程结束，开始启动。启动过程中，储能器件的输出电压会降低，但不会低于被控芯片的临界工作电压，被控芯片不会再次停止、启动。
被控芯片的复位条件如果不同于上述情况，可调整电路，满足要求，这里不再冗述。
采用本发明的技术方案，根据电源特性和芯片特性，在恰当的电压输出时启动芯片，节省时间，保证芯片处于稳定状态，且不会频繁启动；供电线路中没有开关，避免了开关开启时带来的震荡和过冲等问题，降低设计难度和产品成本；芯片从复位状态转为正常运行，期间电源电压波形较为平稳。
附图说明
图1为芯片的启动装置的组成示意图；
图2为延时模块的电原理图；
图3为储能器件的电压变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
参看图1，芯片的启动装置实质上是一种信号发生装置，包括电压检测芯片、延时模块，电压检测芯片连接电源装置的电压输出，电压检测芯片的输出端连接延时模块，延时模块的输出端连接或门的一个输入端，所述被控芯片的一个I/O管脚连接所述或门的另一个输入端，或门的输出连接被控芯片的Reset管脚。
本实施例中，电源装置为CT取电装置，包括CT取电设备和储能器件，储能器件一般为电池或超级电容。
芯片的启动装置和被控芯片由储能器件提供工作电源。
大部分芯片的工作电压为5V或3.3V，在标称工作电压附近一定范围内，芯片也可以工作。芯片可以工作的最低电压在本发明中称为临界工作电压。
电压检测芯片内置检测电压VDF，根据被控芯片的特性，选择合适的电压检测芯片，检测电压VDF大于被控芯片的临界工作电压V1。
CT取电装置开始工作后，储能器件的电压输出逐渐升高，
当储能器件的电压输出达到V1时，因被控芯片受Reset影响，处于复位状态，此时功耗远低于正常运行状态功耗，芯片未运行程序代码。
当储能器件的电压输出大于检测电压VDF时，电压检测芯片输出高电平，启动延时模块工作，触发计时。
延时模块的作用是等待储能器件的电压进一步升高，使被控芯片可以不中断地完成Reset动作，使被控芯片处于一个可知的稳定状态。
参看图2，本实施例中，延时模块包括非门U1、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、电阻R和电容C，所述非门U1的输入连接电压检测芯片的输出端，所述非门U1的输出连接第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的G极，所述第一MOS管Q1的D极连接电源、S极连接电阻R的一端，所述第二MOS管Q2的D极连接电阻R的另一端、S极接地，所述电容C的一端接地、另一端连接第二MOS管Q2和电阻R的公共端，所述公共端为延时模块的输出端。
本发明中的MOS管，对电容充电起作用，不是对功能性芯片供电，因电容充电电流很小，故开关瞬间对电源电压波形基本不产生影响。
电压检测芯片输出信号VDF_OUT，经延时模块延时后输出VDELAY_OUT信号。当电压小于检测电压VDF时，VDF_OUT为低电平，经非门后反相，MOS管Q2导通，Q1截止，电容C不充电，延时模块不计时；当电压大于检测电压VDF时，VDF_OUT为高电平，经非门反相后，MOS管Q2截止，Q1导通，电源VCC向电容C充电。C的电压是渐变的，只要高于或门输入高电平的门限，或门输出为高电平。
延时模块的输出VDELAY_OUT为高电平时，储能器件的电压输出为V2。
延时T的确定：根据CT取电设备的性能，得到最差环境下的输出电流I1；获取电压检测芯片、延时模块、被控芯片的工作电流I2、I3、I4；为简化设计，设定储能器件为恒流充电，充电电流为I1－(I2＋I3+I4)，根据储能器件的充电曲线，得到储能器件的电压从VDF达到V2的时间T。
本实施例中，储能器件使用超级电容。根据CT取电设备的性能，评估最差环境下的取电能力，对超级电容的充电计算可近似按照恒流充电计算。即在临界工作条件下，取电设备输出的最小电流减去系统消耗电流，剩余为超级电容充电电流，计算出延时模块延时T。
系统消耗电流包括检测芯片、延时模块、被控芯片消耗的电流。被控芯片有外围电路配套，主要是电阻器件，其消耗电流很小。被控芯片在此期间一直处于同一个状态，电流固定，可取一个定值，具体数值可查询芯片手册，也可以实际测试得到。
根据RC充电特性，调整延时模块中R和C的值，可以调整延时T。
计算延时时间近似为：T=－RDELAY×Cd×ln (1－VTCD / VIN) 。
此公式是根据电容充电公式得到的，具有通用性。
其中，RDELAY是电阻R的阻值，Cd是电容C的容值，VTCD是电容的电压阈值，作为后级或门的输入，VIN是延时模块电源电压，也是后级或门的电源。
分析公式，可以看出，不需要确定VTCD和VIN 的具体数值，只要确定比例关系，就能计算出时间T。
延时T是VIN从VDF上升到V2的时间，延时到达后或门输出电平翻转，被控芯片启动；或门芯片数据手册提供了或门输出电平翻转时输入和供电电压的比例关系，可用来确定VTCD / VIN的数值。
当C的电压VTCD与VIN 的比例VTCD / VIN大于或门的输入阈值时，后续的或门输出电平翻转。
本实施例中，VDF=2.7V，V2设定为3.0 V；根据超级电容的充电曲线，从2.7V上升到3.0V需要约1.4s；VTCD / VIN=0.75。
根据公式，可得R/C的数值。本实施例中，R=2M欧，C=1.0uF。
超级电容的输出电压达到2.7V，经过1.4s充电后，电压从2.7V升到3.0V。此时或门输出高电平。
电压V2的设置是本发明的关键之一。
电压值V2的设置原则：根据被控芯片启动过程的功耗和电源装置的特性，得到芯片在电压为V2开始启动的过程中，电源装置输出的最低电压大于V1。
本实施例中，电压检测芯片检测电压临界值V4大于芯片临界工作电压V1。要保证芯片连接或门输入端的I/O管脚在延时模块的输出信号变低之前拉高，则启动过程中电源装置输出的最低电压V3大于芯片的临界工作电压V1即可。本方案降低了对电压V3的要求，缩短了系统开始工作到芯片开始复位的时间。
按照系统设计要求，确定芯片工作的时钟频率、启动时开启的外设模块，根据芯片手册计算出芯片启动过程中的消耗电流、启动时间Δt；根据电路设计，计算出其余器件（主要包括电阻）消耗的电流，得到系统启动时消耗的总电流I。
本实施例中储能器件为电容，其恒流放电时压降公式ΔVc=I*Δt/C，则V2>V1+ΔVc。
其余储能器件可根据放电特性计算出压降与时间关系。
另外，通过调整储能器件参数、延时模块的延时T来使电源装置输出最低电压满足要求；如启动时储能器件的电压已达取电最大电压，仍不能满足要求，则需要增加储能器件容量，如启动时储能器件电压未达取电最大电压，可通过增加延时模块延时来增加储能器件容量。
控制芯片启动过程如下：
CT取电装置开始工作时，超级电容中没有电能储备，低功耗传感器没有供电，芯片的Reset管脚为低电平。
CT取电装置为超级电容充电，超级电容的电压输出逐渐升高；当超级电容的电压输出达到V1时，被控芯片受Reset影响，处于复位状态，芯片未运行程序代码，功耗远低于正常运行状态功耗。
超级电容的电压输出达到VDF时，电压检测芯片输出高电平，启动延时模块。
VDF_OUT为高电平时，经非门反相后，MOS管Q2截止，Q1导通，电源VCC向电容C充电。
电容C的电压逐渐升高，电源电压VIN也逐渐升高。
在延时计算公式中，T=－RDELAY×Cd×ln (1－VTCD / VIN)， VTCD是电容C的电压阈值，即或门芯片电平翻转时的电容电压，VIN是延时模块和或门芯片的电源电压， T的数值计算与VTCD 和 VIN的具体数值无关，其两者的比例在公式中起作用，并且，其连接的或门的翻转条件也与输入电压和供电电压的比例相关。
当延时模块的延时电容开始充电时，VIN已经超过了电压检测芯片阈值VDF，而VTCD是从零开始，根据电容充电的特性，虽然VIN和VTCD的值都在增长，但VTCD的增长速度则较快，延时到达时，VTCD / VIN达到一定数值，超过阈值，其连接的或门输出翻转，由低电平变为高电平，输出到被控芯片的Reset管脚，触发被控芯片从复位状态进入正常运行状态；此时超级电容的电压输出为V2。
阈值由或门芯片的电气特性决定，可在或门芯片的数据手册中查到。本实施例中，或门的工作电压区间在1.65V至5.5V时，输出翻转的阈值为0.75，即VTCD / VIN=0.75。
需要指出，虽然VTCD / VIN数值与的确定与或门芯片特性相关，但是延时计算公式具有通用性，在充电过程中，VTCD 和VIN都在动态变化，通过查询芯片手册及实验验证，公式依然成立。
被控芯片的启动会引起超级电容输出电压的降低，但不会低于V1，被控芯片可以正常运行。
被控芯片正常运行后，输出高电平给或门，避免电压低于VDF导致电压检测芯片输出低电平导致延时模块输出低电平引起被控芯片的复位。
上述过程中，储能器件的电压输出曲线如图3所示。
需要注意的是，当超级电容的电压输出为V1时，被控芯片处于复位状态，此时会消耗电流，造成电压下降，低于V1；经过充电补充后，电压升高。在选择CT取电装置时，其获取电流的能力要大于设备总的消耗电流，且芯片在复位状态时电流很小，因此，超级电容的电压会持续上升。
第一次电压波动后，还会有波动。实测中，除第一次电压波动比较明显外，其余波动在示波器上肉眼难以察觉。分析原因，被控芯片在复位状态下工作电流很小，超级电容的充电速度远大于被控芯片在复位状态下的消耗速度。
图3中表示了电压下降、升高的曲线。
图3中的电压曲线，只考虑了被控芯片的运行状态对电压的影响；电压检测芯片和延时模块的电流消耗很小，可以忽略不计。
采用本发明提出的方案，电压从V2的下降，实际测试最大只有0.12V左右，如果用控制电源的方式，在V2的压降为0.7-0.9V。同时，采用本发明的方案，对电压的下降要求更低，只要大于V1就能保证系统的正常工作，因此，对V2的要求更低，缩短了超级电容的充电时间要求。
实测从开始充电到系统正常工作，采用基本相同的硬件系统，采用控制电源方式，系统从开始充电到系统正常工作，时间约4.6s，采用本发明提出的方案，系统从开始充电到系统正常工作的时间约4s，缩短600ms。

Claims (6)

1.一种低功耗传感器中芯片的启动装置，由电源装置供电，其特征在于，所述芯片的启动装置包括电压检测芯片、延时模块，电压检测芯片连接电源装置的电压输出，电压检测芯片的输出端连接延时模块，延时模块的输出端通过或门连接被控芯片的Reset管脚，所述被控芯片由所述电源装置供电；
电源装置的电压输出大于检测电压VDF时，电压检测芯片输出高电平；延时模块检测到电平由低变高时，触发计时，计时结束，输出高电平；
所述被控芯片的I/O管脚连接所述或门的输入端。
2.根据权利要求1所述的芯片的启动装置，其特征在于，所述延时模块包括非门(U1)、第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、电阻(R)和电容(C)，所述非门(U1)的输入连接电压检测芯片的输出端，所述非门(U1)的输出连接第一MOS管(Q1)和第二MOS管(Q2)的G极，所述第一MOS管(Q1)的D极连接电源、S极连接电阻(R)的一端，所述第二MOS管(Q2)的D极连接电阻(R)的另一端、S极接地，所述电容(C)的一端接地、另一端连接第二MOS管(Q2)和电阻(R)的公共端，所述公共端为延时模块的输出端。
3.根据权利要求1所述的芯片的启动装置，其特征在于，所述电源装置为CT取电装置，包括CT取电设备和储能器件。
4.一种低功耗传感器中芯片的启动方法，基于权利要求1-3任一所述的低功耗传感器中芯片的启动装置实现，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
A、设定所述检测电压VDF大于所述被控芯片的临界工作电压V1；
B、设定电压值V2，根据电源装置的电压曲线，得到电压从VDF上升到V2的时间T，设置所述延时模块的延时为T；
C、所述被控芯片启动后，连接所述或门输入端的I/O管脚输出高电平；
步骤B中，电压值V2的设置原则：根据被控芯片启动过程的功耗和电源装置的特性，得到芯片在电压为V2开始启动的过程中，电源装置输出的最低电压大于V1。
5.根据权利要求4所述的芯片的启动方法，其特征在于，步骤B中，延时T的计算方法为：
根据CT取电设备的性能，得到最差环境下的输出电流I1；
获取电压检测芯片、延时模块、被控芯片的工作电流I2、I3、I4；
设定储能器件恒流充电，充电电流为I1－(I2＋I3+I4)，根据储能器件的充电曲线，得到储能器件的电压从VDF达到V2的时间T。
6.根据权利要求4或5所述的芯片的启动方法，其特征在于，所述延时模块中电阻(R)和电容(C)与T的数值关系为：
T=－RDELAY×Cd×ln (1－VTCD / VIN)
其中，RDELAY是电阻（R）的阻值，Cd是电容（C）的容值，VTCD是电容（C）的电压阈值，VIN是延时模块电源电压。
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