CN115411831A - 一种用于小信号采样的低纹波电源供电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于小信号采样的低纹波电源供电系统及方法，其中，所述系统包括：数字系统、小信号采集系统、锂电池切换模块和隔离模块；所述数字系统包括：DC‑DC模块、LDO1、BMS模块、数字逻辑处理与控制系统；所述DC‑DC模块的输入端外接24V开关电源，且DC‑DC模块的输出端分别耦接到BMS模块和LDO1，且LDO1输出端耦接数字逻辑处理与控制系统，所述LDO1输出3.3V供数字逻辑处理与控制系统使用；本发明在小信号采集系统中采用单节锂电池供电，可实现uV量级的纹波需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种供电技术领域，具体为一种用于小信号采样的低纹波电源供电系统及方法。
背景技术
电源纹波是影响小信号检测的一大重要因素，当待检测信号的特征与电源纹波相当或低于电源纹波时，致使小信号完全被电源纹波噪声所淹没，给信号特征提取带来了相当大的麻烦，甚至无法从噪声信号中将有用的信号提取出来。为了实现微弱小信号的采集，必须有效的将电源纹波抑制在较低的水平，从而提高信号的信噪比。
传统上采用的降低电源纹波的拓扑结构一般都是LPF+DCDC+LDO+LPF（低通滤波器+开关电源+低压差稳压器）的拓扑方式，这种结构可以有效的将板级输入端或DCDC产生的高频纹波抑制在几mV左右，但LDO的电源抑制比PSRR在70dB左右，而且与纹波的频率有关，当纹波的频率达到MHz后，LDO的电源抑制比PSRR会降到40dB左右，这将大大衰减LDO对输入的电源纹波抑制能力。
目前为了能够采集小信号，在信号链上增加有源滤波环节，同时为了获得较好的过度特性，增加了滤波器的阶数，这将导致元器件的数量增加，增大了硬件系统的体积。
为了不增加元件数量和体积，传统上会将硬件滤波器设计为二阶滤波，在软件里面实现更高阶的滤波处理，譬如FIR,IIR等滤波算法，通过软件层面来实施滤波处理，但面对纹波要求在uV量级的情况下，纹波处理又过于复杂，成本会大大增加。
现有技术已经不能满足现阶段人们的需求，基于现状，急需对现有技术进行改革。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于小信号采样的低纹波电源供电系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
一方面，本发明提供如下技术方案一种用于小信号采样的低纹波电源供电系统，包括：数字系统、小信号采集系统、锂电池切换模块和隔离模块；
所述数字系统包括：DC-DC模块、LDO1、BMS模块、数字逻辑处理与控制系统；
所述DC-DC模块的输入端外接24V开关电源，且DC-DC模块的输出端分别耦接到BMS模块和LDO1，且LDO1输出端耦接数字逻辑处理与控制系统；
所述BMS模块为单节锂电池充电电路模块，输入电源电压为DC-DC模块输出的5V电压，BMS模块输出端接锂电池切换模块；
所述数字逻辑处理与控制系统包括：主控MCU、控制单元和驱动电路；
所述锂电池切换模块包括主单节锂电池、备单节锂电池和双刀双掷继电器；
所述双刀双掷继电器耦接数字逻辑处理与控制系统的驱动电路，且所述主单节锂电池和备单节锂电池通过驱动电路驱动双刀双掷继电器来实现切换；
所述隔离模块包括：第一隔离模块和第二隔离模块，所述锂电池切换模块的两路输出端通过第一隔离模块与数字逻辑处理与控制系统隔离，所述第一隔离模块为两路线性光耦转换电路，将主、备单节锂电池的当前电量通过光隔离后输送至主控MCU；
所述小信号采集系统通过第二隔离模块与数字逻辑处理与控制系统隔离，所述第二隔离模块采用高速线性光耦转换电路，将小信号采集系统采集到的微弱信号经光隔离后输送至主控MCU；
所述主控MCU根据检测到的主、备单节锂电池的电量情况，通过控制单元来切换主、备单节锂电池的工作。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，外部24V开关电源经所述DC-DC模块将24V电源转换为5V电源，作为数字系统的LDO1输入电源以及BMS模块的输入电源。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述主单节锂电池、备单节锂电池的电源纹波范围为2~3uV。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述小信号采集系统与数字系统在电气上通过第一隔离模块和第二隔离模块实现完全隔离。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述主单节锂电池作为主供电电池默认为小信号采集系统供电，且所述备单节锂电池作为备用电池自动切到数字系统中供电，并采用DC-DC模块输出的5V电源为其充电。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述数字逻辑处理与控制系统的主控MCU检测到主单节锂电池电量低于设定的阈值时，通过驱动电路驱动双刀双掷继电器将备单节锂电池从数字系统切换至小信号采集系统，并将主单节锂电池切到数字系统待BMS模块对其充电。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述数字系统还设有电池电量检测单元，所述电池电量检测单元通过线性光耦将电池电压耦合到数字系统进行电量检测，进行评估主单节锂电池和备主单节锂电池的当前电量状态。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述锂电池切换模块的两路输出端还设有防倒灌二极管VD1、VD2；且所述防倒灌二极管VD1、VD2的输出端耦接LDO2。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述主单节锂电池或是备单节锂电池通过VD1、VD1输出到LDO2，LDO2的电源抑制比PSRR小于70dB。
结合第一方面，一种可能的实现方式中，所述LDO2输出的3.3V电源纹波低于10uV量级。
第二方面，本申请提供了一种用于小信号采样的低纹波电源供电方法，包括：步骤S1，通过DC-DC模块将外部的24V开关电源转换为5V电源，作为数字系统的LDO1输入电源以及BMS模块的输入电源；并将所述LDO1输出3.3V为数字逻辑处理与控制系统供电；步骤S2，通过第一隔离模块将主、备单节锂电池的当前电量通过光隔离后输送至主控MCU；步骤S3，主控MCU设定电量阈值，并通过主控MCU控制电池电量检测单元通过线性光耦将电池电压耦合到数字系统进行电量检测。
结合第二方面，一种可能的实现方式中，当所述主控MCU检测到主单节锂电池电量低于设定的所述阈值时，通过驱动电路驱动双刀双掷继电器将备单节锂电池从数字系统切换至小信号采集系统，并将主单节锂电池从小信号采集系统切到数字系统待BMS模块对其充电。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明在小信号采集系统中采用单节锂电池供电，可实现uV量级的纹波需求；
（2）本发明采用主单节锂电池、备单节锂电池一用一备的工作模式，并且通过数字逻辑处理与控制系统的主控MCU检测到主单节锂电池电量低于设定的阈值时，通过驱动电路驱动双刀双掷继电器将备单节锂电池从数字系统切换至小信号采集系统，并将主单节锂电池切到数字系统待BMS模块对其充电，保证了系统极低纹波的同时长期不断电。
（3）本发明设计结构易实现，规避了背景技术中复杂的电源纹波处理工作，且可实现uV量级的纹波输出要求。
附图说明
图1为本发明电源供电系统的整体结构示意图；
图2为本发明电源供电方法的流程示意图。
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。
参考图1，一方面，本发明提供了一种用于小信号采样的低纹波电源供电系统，包括：数字系统、小信号采集系统、锂电池切换模块和隔离模块；其中，数字系统包括：DC-DC模块、LDO1、BMS模块、数字逻辑处理与控制系统。
所述DC-DC模块的输入端外接24V开关电源，且DC-DC模块的输出端分别耦接到BMS模块和LDO1，外部24V开关电源经DC-DC模块将24V电源转换为5V电源，此5V电源作为数字系统的LDO1输入电源以及BMS模块的输入电源；LDO1输出端耦接数字逻辑处理与控制系统，所述LDO1输出3.3V可以采用TI公司的REG1117-3.3输出3.3V供数字逻辑处理与控制系统使用。
所述BMS模块为单节锂电池充电电路模块，输入电源电压为DC-DC模块输出的5V电压，BMS模块输出端接锂电池切换模块；
数字逻辑处理与控制系统包括：主控MCU、控制单元和驱动电路；且锂电池切换模块包括主单节锂电池、备单节锂电池和双刀双掷继电器，主单节锂电池、备单节锂电池的电源纹波可控制在2~3uV左右，且双刀双掷继电器耦接数字逻辑处理与控制系统的驱动电路，主单节锂电池和备单节锂电池通过驱动电路驱动双刀双掷继电器来实现切换；所述备单节锂电池具有备用充电的任务，可以采用TOPPOWER的电池管理芯片TP5400实现，当数字逻辑处理与控制系统检测到主单节锂电池作为主供电锂电池，其电量低于切换阈值时，会自动将备单节锂电池作为备用电池切到小信号采集系统中供电，将亏电的主单节锂电池切到数字系统中充电。
所述隔离模块包括第一隔离模块和第二隔离模块，所述锂电池切换模块的两路输出端通过第一隔离模块与数字逻辑处理与控制系统隔离，第一隔离模块为两路线性光耦转换电路，将主、备单节锂电池的当前电量通过光隔离后输送至主控MCU；且所述小信号采集系统通过第二隔离模块与数字逻辑处理与控制系统隔离，第二隔离模块采用高速线性光耦转换电路，将小信号采集系统采集到的微弱信号经光隔离后输送至主控MCU；从而小信号采集系统与数字系统在电气上通过第一隔离模块和第二隔离模块完全隔离。
主控MCU根据检测到的主、备单节锂电池当前的电量情况，通过控制单元来切换主、备单节锂电池的工作，正常情况下，主单节锂电池工作在小信号采集系统中，当数字逻辑处理与控制系统的主控MCU检测到主单节锂电池电量低于设定的阈值时，通过驱动电路驱动双刀双掷继电器将备单节锂电池从数字系统切换至小信号采集系统，并将主单节锂电池切到数字系统待BMS模块对其充电。所述数字系统还可以设有电池电量检测单元，电池电量检测单元通过线性光耦将电池电压耦合到数字系统进行电量检测，评估其当前电量状态，决策是否需要进行电池切换。
所述小信号采集系统一般由供电电路、传感器组件和电流电压采样电路组成，本发明的小信号采集系统由所述锂电池切换模块供电，电源纹波可控制在2~3uV左右，供电锂电池采用可充电锂电池，一用一备，备用的备单节锂电池自动切到数字系统中，采用DC-DC模块输出的5V电源为其充电，处于使用中的主单节锂电池为小信号采集系统供电。
本发明的所述小信号采集系统为了防止主、备锂电池电压不等出现电流倒灌的现象发生，在锂电池切换模块的两路输出端还设有防倒灌二极管VD1、VD2；且防倒灌二极管VD1、VD2的输出端耦接LDO2，无论是主单节锂电池或是备单节锂电池通过VD1、VD2输出到LDO2，LDO2的电源抑制比PSRR稳定在70dB，可以更好的抑制输入电源纹波，且设有LDO2后，电路输出的用于信号采集系统供电的电源纹波可以控制在10uV量级。
参考图2，本发明实施例提供了一种用于小信号采样的低纹波电源供电方法，具体步骤包括：
步骤S1，通过DC-DC模块将外部的24V开关电源转换为5V电源，作为数字系统的LDO1输入电源以及BMS模块的输入电源；并将LDO1输出3.3V给数字逻辑处理与控制系统供电；
步骤S2，通过第一隔离模块将主、备单节锂电池的当前电量通过光隔离后输送至主控MCU；
步骤S3，主控MCU设定好电量阈值，并通过主控MCU控制电池电量检测单元通过线性光耦将电池电压耦合到数字系统进行电量检测；
步骤S301，当检测到主单节锂电池电量低于设定的所述阈值时，通过驱动电路驱动双刀双掷继电器将备单节锂电池从数字系统切换至小信号采集系统，并将主单节锂电池从小信号采集系统切到数字系统待BMS模块对其充电。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于，采用单节锂电池供电，实现uV量级的纹波；
所述系统包括：数字系统、小信号采集系统、锂电池切换模块和隔离模块；
所述数字系统包括：DC-DC模块、LDO1、BMS模块、数字逻辑处理与控制系统；
所述DC-DC模块的输入端外接24V开关电源，且DC-DC模块的输出端分别耦接到BMS模块和LDO1，且LDO1输出端耦接数字逻辑处理与控制系统，所述LDO1输出3.3V供数字逻辑处理与控制系统使用；
所述BMS模块为单节锂电池充电电路模块，输入电源电压为DC-DC模块输出的5V电压，BMS模块输出端接锂电池切换模块；
所述数字逻辑处理与控制系统包括：主控MCU、控制单元和驱动电路；
所述锂电池切换模块包括主单节锂电池、备单节锂电池和双刀双掷继电器；
所述双刀双掷继电器耦接数字逻辑处理与控制系统的驱动电路，且主单节锂电池和备单节锂电池通过驱动电路驱动双刀双掷继电器来实现切换；
所述隔离模块包括：第一隔离模块和第二隔离模块；
所述锂电池切换模块的两路输出端通过第一隔离模块与数字逻辑处理与控制系统隔离，所述第一隔离模块为两路线性光耦转换电路，将主、备单节锂电池的当前电量通过光隔离后输送至主控MCU；
所述小信号采集系统通过第二隔离模块与数字逻辑处理与控制系统隔离，所述第二隔离模块采用高速线性光耦转换电路，将小信号采集系统采集到的微弱信号经光隔离后输送至主控MCU；
所述主控MCU根据检测到的主、备单节锂电池的电量情况，通过控制单元来切换主、备单节锂电池的工作。
2.根据权利要求1所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：外部24V开关电源经所述DC-DC模块将24V电源转换为5V电源，作为数字系统的LDO1输入电源以及BMS模块的输入电源。
3.根据权利要求1所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：所述主单节锂电池、备单节锂电池的电源纹波范围为2~3uV。
4.根据权利要求1所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：所述小信号采集系统与数字系统在电气上通过第一隔离模块和第二隔离模块实现完全隔离。
5.根据权利要求1所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：所述主单节锂电池作为主供电电池默认为小信号采集系统供电，且所述备单节锂电池作为备用电池自动切到数字系统中供电，并采用DC-DC模块输出的5V电源为其充电。
6.根据权利要求1所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：所述数字逻辑处理与控制系统的主控MCU检测到主单节锂电池电量低于设定的阈值时，通过驱动电路驱动双刀双掷继电器将备单节锂电池从数字系统切换至小信号采集系统，并将主单节锂电池切到数字系统待BMS模块对其充电。
7.根据权利要求1所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：所述数字系统还设有电池电量检测单元，所述电池电量检测单元通过线性光耦将电池电压耦合到数字系统进行电量检测，进行评估主单节锂电池和备主单节锂电池的当前电量状态。
8.根据权利要求1所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：所述锂电池切换模块的两路输出端还设有防倒灌二极管VD1、VD2；且所述防倒灌二极管VD1、VD2的输出端耦接LDO2。
9.根据权利要求8所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：所述主单节锂电池或是备单节锂电池通过VD1、VD1输出到LDO2，LDO2的电源抑制比PSRR小于70dB。
10.根据权利要求8所述的用于小信号采样的低纹波电源供电系统，其特征在于：LDO2输出的3.3V电源纹波低于10uV量级。
11.一种用于小信号采样的低纹波电源供电方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤S1，通过DC-DC模块将外部的24V开关电源转换为5V电源，作为数字系统的LDO1输入电源以及BMS模块的输入电源；并将所述LDO1输出3.3V为数字逻辑处理与控制系统供电；
步骤S2，通过第一隔离模块将主、备单节锂电池的当前电量通过光隔离后输送至主控MCU；
步骤S3，主控MCU设定电量阈值，并通过主控MCU控制电池电量检测单元通过线性光耦将电池电压耦合到数字系统进行电量检测。
12.根据权利要求11所述的用于小信号采样的低纹波电源供电方法，其特征在于：当所述主控MCU检测到主单节锂电池电量低于设定的所述阈值时，通过驱动电路驱动双刀双掷继电器将备单节锂电池从数字系统切换至小信号采集系统，并将主单节锂电池从小信号采集系统切到数字系统待BMS模块对其充电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20221129 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |