CN116995637A - 具备自动大范围电流检测功能的电源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具备自动大范围电流检测功能的电源装置，包括：微控制单元MCU、电源模块、电流检测模块、PC机和脱机控制模块；所述PC机与电源模块和微控制单元MCU连接；所述电源模块、电流检测模块、和脱机控制模块均与微控制单元MCU连接；所述脱机控制模块用于脱机控制，所述电流检测模块用于检测输出电流、输出电压、电流超量程或者短路情况；所述电源模块接收来自USB总线上的电源，并使用外部辅助电源，来提供产品所需的电压，然后经电流检测模块后，输出可控电源。本发明配合水气表产品的检测过程，可以精确检测水气表产品的不同工作状态下的电流情况，将水气表产品存在的缺陷隐患排除，更好的保证产品的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电流检测技术领域，具体地，涉及一种具备自动大范围电流检测功能的电源装置。
背景技术
当今水气表产品，不管是电路板还是整机，在出厂之前，都必须经过完整的功能检验，这个检验中，很重要的环节是检测水气表产品在各个工作状态下的电流消耗，所以需要有一种能与PC机通讯，同步测量不同工作状态下消耗电流的设备和方法。由于水气表产品使用中，大部分时间处于低功耗的待机(休眠)时间，其电流消耗一般小于50uA，所以，需要有1uA的测量分辨率及重复性指标。另外，通常MCU的工作电流在1mA到5mA这个范围，阀门的动作电流为50mA左右，堵转电流在300mA左右，NB模块的最大工作电流在300mA左右，而GSM/4G的工作电流最大则需要2A，所以，这个带电流检测功能的电源装置需要有1uA到2A的宽电流范围检测功能。
专利文献CN115079035A(申请号：CN202210844084.1)公开了一种基于电源系统的带校准及自检功能漏电流检测装置，包括漏电流检测环、自激振荡模块、推挽驱动模块、二阶滤波模块、运放模块和单片机；所述漏电流检测环的原边采集零/火线的电流数据，漏电流检测环副边连接有自激振荡模块、二阶滤波模块和检测电阻，自激振荡模块还连接推挽驱动模块，二阶滤波模块还通过运放连接单片机，单片机上连接有用于漏电流保护的开关。
目前市场上现有的产品，其测量范围，便携性，成本和软件接口都无法满足产品测量的需要，所以需要自行研发一种具有自动大范围电流检测的电源装置。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具备自动大范围电流检测功能的电源装置。
根据本发明提供的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，包括：微控制单元MCU、电源模块、电流检测模块、PC机和脱机控制模块；
所述PC机与电源模块和微控制单元MCU连接；
所述电源模块、电流检测模块、和脱机控制模块均与微控制单元MCU连接；
所述脱机控制模块用于脱机控制，所述电流检测模块用于检测输出电流、输出电压、电流超量程或者短路情况；
所述电源模块接收来自USB总线上的电源，并使用外部辅助电源，来提供产品所需的电压，然后经电流检测模块后，输出可控电源。
优选的，所述微控制单元MCU通过直接USB通讯或者USB转UART的方式，与PC机进行通讯。
优选的，在微控制单元MCU中内置程序或模数转换ADC和数模转换DAC芯片，进行模数转换和数模转换。
优选的，所述脱机控制模块通过拨码开关、按键、电位器的方式确定输出电压值，并且在LCD或LED上显示电流值。
优选的，所述电源模块接收来自USB总线上的+5V作为电源输入，并使用+5V/2A的外部辅助电源，来满足大电流输出的需要，来提供水气表产品所需的电压。
优选的，小于+5V电压的输出通过一个大电流的可调输出的低压差电压调整器LDO来实现，高于+5V电压的输出通过直流-直流变换DC-DC来实现，通过MCU模块的DAC调整电压输出值。
优选的，在低压差电压调整器LDO与输出电源之间、直流-直流变换DC-DC与输出电源之间设置开关，所述开关为干触点或者半导体开关器件，以达到选择输出以及关闭电源的功能。
优选的，在将装置与PC机连接后，校准电压检测电路，，具体为：电源装置输出PC机上设定的电压，然后用高精度万用表测量实际空载输出电压，并输入到PC机，MCU以此计算校正并输出正确电压。
优选的，在将装置与PC机连接后，校准电流检测电路，具体为：电源装置输出经过校准的固定电压，通过PC设定不同档位，外接不同的电阻，并且串联高精度的电流表，MCU的测量数据和电流表的读数都输入到PC机，获得预设个数档位的电流检测校准，电压和电流校准的数据都存储在MCU的PROM中，然后在需要时候定时复检。
优选的，所述电源模块与PC机相连，通过界面显示电流随时间的变化情况，此时电源模块工作在自动检测状态，最开始，开关在最大电流档，当电流小于等于60mA的时候，切换到100mA档，电流小于等于3mA切换到5mA档；当电流增加时，满100uA切换到5mA档，满5mA切换到100mA档，满100mA切换到2A档。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明配合水气表产品的检测过程，可以精确检测水气表产品的不同工作状态下的电流情况，将水气表产品存在的缺陷隐患排除，更好的保证产品的可靠性；
(2)产品测试的过程中的电流数据，将会存入产品的PROM中，作为产品使用过程中各种判定的初始参考；
(3)此电源装置具备自动大范围电流检测功能，同时也具备单独使用的能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为检测系统框图；
图2为电源模块框图；
图3为电流检测模块基本框图；
图4为短路/超限电流检测电路图；
图5为短路自动断开开关电路图；
图6为短路自动闭合开关电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明提供了一种具备自动大范围电流检测功能的电源装置，包括：
图1是检测系统框图，系统通过USB接口与PC机相连，其中的MCU模块中，MCU通过直接USB通讯或者USB转UART的方式，与PC机进行通讯。MCU模块还需要具备模数转换ADC和数模转换DAC的功能，这个可以通过MCU内部自带功能实现，或者独立的ADC和DAC芯片实现。
系统中的脱机模块，包含了常见的按键，拨动开关，电位器，LCD或LED显示，蜂鸣器等，其作用是在与PC机脱机情况下，设置简单的测量功能，比如输出电压调整，电流测量量程的手动或自动选择，瞬时电流显示或者固定时长的平均电流测量等等。
电源模块接收来自USB总线上的+5V作为电源输入，并可以使用+5V/2A的外部辅助电源，来满足大电流输出的需要，通过LDO或者DC-DC(直流-直流变换)，来提供水气表产品所需的电压，最常见的是3.6V和6V，图2为电源模块框图。
来自USB的+5V作为主要电源，通过一个LDO，提供内部主要器件的VDD，即MCU、比较器，电流检测放大器等器件的电源。来自USB的+5V和来自辅助电源的+5V，通过LDO或者DC-DC输出电源。一般来说，小于+5V的电压比如3.6V的输出可以通过一个大电流的可调输出的LDO来实现，高于+5V电压比如6V的输出，可以通过DC-DC来实现，通过MCU模块的DAC调整电压输出值。框图中的开关可以是干触点或者半导体开关器件，以达到选择输出以及关闭电源的功能。
电流检测模块用于检测输出电流，检测输出电压，检测电流超量程或者短路的情况。
图3中的电流检测放大器，可以自行用仪表放大器搭建电路或者简单使用现有产品如INA180。其原理是电流流过电阻造成的压降，经过放大后转换成正比于电流的电压信号，选择不同通路的电阻，从R1到R4，可以获得不同量程范围。为了满足频繁切换量程的需要，框图中的开关应使用半导体开关，简单的PMOS管组成的开关即可。
经过计算，我们将电流检测放大器的Av值，设定到50，电流检测放大器输出满量程2.5V，也就是电阻上的满量程压降为50mV。由此，2A的电流，对应R1值等于25毫欧，考虑到PMOS管的导通电阻，这个R1事实上可以为零，然后在测量中校正。同样的方式，我们设定R2＝0.5欧姆，用于测量100mA量程电流；设定R3＝10欧姆，用于测量5mA量程；设定R4＝500欧姆，用于测量100uA量程。
对流经电阻两端的电压进行检测是必要的，测量结果进MCU，然后发送到PC，框图中的C1在大部分情况下是需要的，可以加长被检测电流的上升下降时间，使得MCU可以快速检测并及时切换检测量程。
在实际测量过程中，必然会出现的一种情况，是输出短路或者输出超过2A的电流，那么我们需要对此加以检测。
图4用于检测输出短路以及超限情况。U1和R1、R2、R3组成了带滞回的比较电路，Vsys电压经过分压后，其电压值小于输出电压Vout，比较器输出保持在低电平状态，此时短路复位信号为低，Q2不参与比较器工作。当Vout短路或者超量程导致Vout降低，则比较器翻转，输出高电平并且保持高电平状态，此短路检测输出同步到MCU，同时参与电流检测的开关的选择。当MCU通过电压检测电路检测到外部短路等情况已经解除，则将短路复位信号拉高，比较器的V+端拉低，比较器重新输出低电平，然后再将短路复位重新拉低。
图4中的短路检测输出为高后，则自动断开R1，R2，R3(0R/0.5R/10R)的开关，其电路图如图5所示。
同样的，将R1到R3断开后，自动接通R4(500R)，这样，即使外部保持短路状态，也不影响损伤内部器件，并且可以通过输出电压监视外部短路情况。如图6电路所示。
在此装置正式成为水气表产品的测试装置之前，我们需要先进行校准。在将装置与PC机连接后，第一步是校准电压检测电路，也即电源装置输出PC机上设定的电压，然后用高精度万用表测量实际空载输出电压，并输入到PC机，MCU以此计算校正并输出正确电压。第二步是校准电流检测电路，电源装置输出经过校准的固定电压，通过PC设定不同档位，简单外接不同的电阻，并且串联高精度的电流表，MCU的测量数据和电流表的读数都输入到PC机，然后就可以获得4个档位的电流检测校准，电压和电流校准的数据都存储在MCU的PROM中，可长久保存，然后在需要时候定时复检。
经过校准的电源装置，在水气表产品的检验中，不但提供可变电压的电源输出，也同步接收PC机指令，测量水气表产品在不同工作状态下的电流。
此电源装置也可以简单地与PC机相连，通过界面显示电流随时间的变化情况，此时电源装置工作在自动检测状态。最开始，开关在R1档，也就是最大电流档，当发觉电流小于等于60mA的时候，切换到100mA档，也就是R2档，小于等于3mA切换到5mA档，按照这种方式下调档位。当电流增加时，满100uA切换到5mA档，满5mA切换到100mA档，满100mA切换到2A档。按照我们的设定，档位的满量程对应了电流检测放大器的2.5V输出，在常用的VDD＝3.3V情况下，不会造成饱和失真。
此装置也可脱机使用，我们可以简单通过拨码开关，按键，电位器等方式确定输出电压值，并且在LCD或LED上显示电流值。此方式适合在不方便操作电脑或平板的情况下使用。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，包括：微控制单元MCU、电源模块、电流检测模块、PC机和脱机控制模块；
所述PC机与电源模块和微控制单元MCU连接；
所述电源模块、电流检测模块、和脱机控制模块均与微控制单元MCU连接；
所述脱机控制模块用于脱机控制，所述电流检测模块用于检测输出电流、输出电压、电流超量程或者短路情况；
所述电源模块接收来自USB总线上的电源，并使用外部辅助电源，来提供产品所需的电压，然后经电流检测模块后，输出可控电源。
2.根据权利要求1所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，所述微控制单元MCU通过直接USB通讯或者USB转UART的方式，与PC机进行通讯。
3.根据权利要求2所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，在微控制单元MCU中内置程序或模数转换ADC和数模转换DAC芯片，进行模数转换和数模转换。
4.根据权利要求1所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，所述脱机控制模块通过拨码开关、按键、电位器的方式确定输出电压值，并且在LCD或LED上显示电流值。
5.根据权利要求3所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，所述电源模块接收来自USB总线上的+5V作为电源输入，并使用+5V/2A的外部辅助电源，来满足大电流输出的需要，来提供水气表产品所需的电压。
6.根据权利要求5所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，小于+5V电压的输出通过一个大电流的可调输出的低压差电压调整器LDO来实现，高于+5V电压的输出通过直流-直流变换DC-DC来实现，通过MCU模块的DAC调整电压输出值。
7.根据权利要求6所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，在低压差电压调整器LDO与输出电源之间、直流-直流变换DC-DC与输出电源之间设置开关，所述开关为干触点或者半导体开关器件，以达到选择输出以及关闭电源的功能。
8.根据权利要求1所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，在将装置与PC机连接后，校准电压检测电路，，具体为：电源装置输出PC机上设定的电压，然后用高精度万用表测量实际空载输出电压，并输入到PC机，MCU以此计算校正并输出正确电压。
9.根据权利要求1所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，在将装置与PC机连接后，校准电流检测电路，具体为：电源装置输出经过校准的固定电压，通过PC设定不同档位，外接不同的电阻，并且串联高精度的电流表，MCU的测量数据和电流表的读数都输入到PC机，获得预设个数档位的电流检测校准，电压和电流校准的数据都存储在MCU的PROM中，然后在需要时候定时复检。
10.根据权利要求1所述的具备自动大范围电流检测功能的电源装置，其特征在于，所述电源模块与PC机相连，通过界面显示电流随时间的变化情况，此时电源模块工作在自动检测状态，最开始，开关在最大电流档，当电流小于等于60mA的时候，切换到100mA档，电流小于等于3mA切换到5mA档；当电流增加时，满100uA切换到5mA档，满5mA切换到100mA档，满100mA切换到2A档。
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