CN203894394U - 具有电流监控功能的供电电路及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有电流监控功能的供电电路及电子设备，设置有电源、供电开关电路、电流电压转换电路、控制电路以及供电输出接口；所述供电开关电路连接在电源与供电输出接口之间，对电源的输出电流进行通断控制；所述电流电压转换电路采集电源的输出电流，并转换成电压信号输出至所述的控制电路；所述控制电路根据接收到的电压信号对供电开关电路进行开关控制。本实用新型所提出的电流检测电路结构简单，成本低廉，性能稳定可靠，尤其适合应用在电路结构相对简单、市场定价相对较低的电子设备中，在有效控制该类电子设备生产成本的前提下，满足了其对电源输出电流的智能化监控的设计要求。
Description
技术领域
本实用新型属于供电电路技术领域，具体地说，是涉及一种具有电流监控功能的供电电路的线路设计以及采用所述供电电路设计的电子设备。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，电子设备正在朝着小型化智能化的方向发展。电子设备的智能化发展要求电子设备能随时监测自身的工作状态，这些工作状态包括关键模块的电流、电压、温度等参数。智能监测这些参数是否正常，是电子设备智能化发展的基本要求。在对这些参数进行智能监控的过程中，对电子设备中供电电路的输出电流进行监测，又是各项参数监测任务中的重中之重。因为通过对供电电路的输出电流的大小进行监测，一方面可以保护电子设备中的各用电模块不会被烧毁；另一方面在基于电池的供电系统中，它能够有效的阻止电池因过度放电而对电池造成的损害。
目前的电子设备，在对其供电电路输出的电流进行监测时，主要采用在系统电路中增设电源管理芯片PMU的方式实现。但是，在某些供电系统相对简单、市场定价相对较低的电子产品中，引进电源管理芯片PMU会导致电子产品生产成本的明显升高，由此会严重影响该类电子产品的市场竞争能力。
发明内容
本实用新型为了解决现有技术采用电源管理芯片PMU对供电电路的输出电流进行监测所带来的生产成本明显升高的问题，提出了一种无需使用PMU即可对供电电路的输出电流实现智能监控的电路设计，以显著降低系统电路的硬件成本，满足各种价位的电子设备对其内部供电电路的输出电流实现智能监控的设计要求。
为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
一种具有电流监控功能的供电电路，设置有电源、供电开关电路、电流电压转换电路、控制电路以及供电输出接口；所述供电开关电路连接在电源与供电输出接口之间，对电源的输出电流进行通断控制；所述电流电压转换电路采集电源的输出电流，并转换成电压信号输出至所述的控制电路；所述控制电路根据接收到的电压信号对供电开关电路进行开关控制。
进一步的，在所述电流电压转换电路中设置有采样电阻和放大电路；所述采样电阻串联在电源与供电输出接口之间的电流传输线路中；所述放大电路连接在采样电阻的两端，采集采样电阻两端的电压并进行放大，进而生成所述的电压信号输出至控制电路。
又进一步的，在所述放大电路中设置有运算放大器和四个电阻；运算放大器的同相输入端通过第一电阻连接采样电阻的一端，并通过第二电阻接地；运算放大器的反相输入端通过第三电阻连接采样电阻的另一端，并通过第四电阻连接运算放大器的输出端；所述运算放大器的输出端输出所述的电压信号至所述的控制电路。
再进一步的，所述采样电阻通过供电开关电路连接电源的一端经由第一电阻连接至运算放大器的同相输入端，采样电阻连接供电输出接口的一端通过第三电阻连接至运算放大器的反相输入端。
优选的，所述第一电阻与第三电阻同阻值；所述第二电阻与第四电阻同阻值。
为了降低系统功耗，所述采样电阻的阻值最好小于5Ω。
作为所述供电开关电路的其中一种优选电路设计方式，在所述供电开关电路中设置有一N沟道MOS管，N沟道MOS管的栅极连接控制电路，接收控制电路输出的控制信号，N沟道MOS管的漏极连接电源，源极通过串联的采样电阻连接所述的供电输出接口。
作为所述供电开关电路的另外一种优选电路设计方式，在所述供电开关电路中可以设置一PNP型三极管，将PNP型三极管的基极连接控制电路，接收控制电路输出的控制信号，并通过上拉电阻连接电源，PNP型三极管的发射极连接电源，集电极通过串联的采样电阻连接所述的供电输出接口。
优选的，在所述控制电路中设置有一过流保护电路或者一控制器，所述过流保护电路或者控制器接收电流电压转换电路输出的所述电压信号，并在所述电压信号超出设定阈值时，输出控制信号至供电开关电路的控制端，对供电开关电路进行开关控制。
优选的，在所述过流保护电路中设置有一NPN型三极管和一限流电阻，所述NPN型三极管的基极通过限流电阻连接电流电压转换电路输出所述电压信号的接口，在所述电压信号超过设定阈值时受控导通，NPN型三极管的发射极接地，集电极连接所述供电开关电路的控制端。
基于上述具有电流监控功能的供电电路的结构设计，本实用新型还提出了一种采用所述供电电路设计的电子设备，包括电源、供电开关电路、电流电压转换电路、控制电路、供电输出接口以及用电负载；所述供电开关电路连接在电源与供电输出接口之间，对电源的输出电流进行通断控制；所述电流电压转换电路采集电源的输出电流，并转换成电压信号输出至所述的控制电路；所述控制电路根据接收到的电压信号对供电开关电路进行开关控制；所述用电负载连接所述的供电输出接口，接收通过供电输出接口输出的供电。
与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的供电电路采用在电源的供电回路中设置供电开关电路和电流电压转换电路的方式，通过采集电源的输出电流并转换成电压信号传输至控制电路，通过控制电路对电源的输出电流进行实时检测，并在控制电路检测到其接收到的电压信号超过设定阈值时，通过控制供电开关电路动作来切断电源的供电回路，实现在电源供电异常时对后续用电负载的有效保护，由此完成了对供电电路的输出电流进行智能监控的设计任务。本实用新型所提出的电流检测电路结构简单，成本低廉，性能稳定可靠，尤其适合应用在电路结构相对简单、市场定价相对较低的电子设备中，在有效控制该类电子设备生产成本的前提下，满足了其对电源输出电流的智能化监控的设计要求。
结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本实用新型所提出的具有电流监控功能的供电电路的一种实施例的电路原理框图；
图2是图1中示出的具有电流监控功能的供电电路的一种实施例的具体电路原理图；
图3是图1中示出的具有电流监控功能的供电电路的另外一种实施例的具体电路原理图；
图4是本实用新型所提出的具有电流监控功能的供电电路的另外一种实施例的电路原理框图；
图5是图4中示出的具有电流监控功能的供电电路的一种实施例的具体电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
本实施例为了在不使用电源管理芯片PMU的基础上，实现对供电电路的电流参数的智能化管理，采用电源、供电开关电路、电流电压转换电路、控制电路和供电输出接口等模块进行供电电路的系统设计，以实现对电源输出电流的实时监控，结合图1、图4所示。
在本实施例中，所述电源作为整个系统的供电部件，可以选用电池，也可以具体指是通过适配器将外部接入的交流电源转换并输出的直流电源。通过电源输出的直流供电需要经过供电线路传输至供电输出接口，进而通过供电输出接口传输至用电负载，实现电源对用电负载的直流供电。将所述供电开关电路连接在电源与供电输出接口之间，以用于对电源的输出电流进行通断控制。为了对电源的输出电流实现智能化监控，本实施例设置电流电压转换电路采集电源的输出电流，并将采集到的输出电流转换成电压信号Um，发送至控制电路。所述控制电路在所述电压信号Um未超出设定阈值时，控制供电开关电路保持电流传输线路连通，将电源输出的电流通过供电输出接口传输至用电负载，为用电负载供电。若所述电压信号Um超出设定阈值，则控制电路控制供电开关电路动作，切断电源与供电输出接口之间的电流传输线路，停止向用电负载供电，由此实现对用电负载以及电源自身的有效保护。
在本实施例中，所述控制电路可以选用一个控制器MCU或者一过流保护电路设计实现，参见图1、图4所示。当选用控制器MCU设计所述的控制电路时，如图1所示，控制器MCU根据接收到的电压信号Um可以换算出电源的输出电流的大小，通过将计算出的输出电流值与预先写入的设定阈值进行比较，即可判断出电源的输出电流是否异常。这里的异常可以包括因系统电路短路所造成的电流过高异常和因电源的剩余电量不足所造成的电流过低异常两种情况。若控制器MCU检测到电源的输出电流值处于正常范围以内，则判定电源的输出电流正常，控制供电开关电路保持电流传输线路连通，将电源输出的电流通过供电输出接口传输至用电负载，为用电负载供电。若控制器MCU检测到电源的输出电流值落入正常范围以外，则判定电源的输出电流异常，此时，控制器MCU输出控制信号至供电开关电路的控制端，控制供电开关电路动作，切断电源与供电输出接口之间的电流传输线路，停止向用电负载供电，由此实现对用电负载以及电源自身的有效保护。
为了对电源的输出电流进行采样检测，本实施例在所述电流电压转换电路中设置有采样电阻R272，结合图2、图3所示。将采样电阻R272串联在电源VDD连接供电输出接口VDD_OUT之间的电流传输线路中，当通过电源VDD输出的电流流经采样电阻R272时，在采样电阻R272的两端就会形成采样电压UR272，将所述采样电压UR272传输至控制器MCU，所述控制器MCU根据接收到的采样电压UR272并结合采样电阻R272的阻值，即可计算出电源VDD的输出电流值I，计算公式为：
（1）。
在连接电源VDD的供电线路中增设采样电阻R272，会导致系统功耗的增加。为了尽量减少功率损耗，在选择采样电阻R272时，最好选择阻值较小的电阻器件。在本实施例中，所述采样电阻R272的阻值最好小于5Ω，以选用2Ω的采样电阻为宜，以提高供电电路的输出功率。
由于采样电阻R272的阻值较小，因此在其两端形成的采样电压UR272的幅值也会比较小，可能不能满足控制器MCU直接采集的要求。为了解决这一问题，本实施例在所述电流电压转换电路中还进一步设置有放大电路，利用放大电路对采样电阻R272两端的采样电压UR272进行电压幅值的放大处理，进而生成能够满足控制器MCU接收要求的电压信号Um，输出至所述的控制器MCU，以用于对电源VDD的输出电流I进行检测。
具体来讲，可以事先设定好放大电路的放大倍数β，由此一来，通过控制器MCU接收到的电压信号Um与采样电阻R272两端的采样电压UR272之间的对应关系即为:
（2）。
将公式（1）、（2）结合，即可计算出电源VDD当前的输出电流值I。
当然，也可以根据已经选定的采样电阻R272的阻值以及放大电路的放大倍数β，事先计算出输出电流I在正常范围内变化时所对应的电压信号Um的幅值范围，进而确定出上限设定阈值和下限设定阈值，并预先写入到控制器MCU中。这样一来，控制器MCU只需将接收到的电压信号Um与预先保存的上限设定阈值和下限设定阈值进行比较，即可判断出电源VDD的输出电流I是否异常，无需控制器MCU进行电流值的换算。
作为本实施例的一种优选电路设计方案，所述放大电路可以采用运算放大器U22配合四个电阻R267-R270连接而成，参见图2、图3所示。将所述运算放大器U22的同相输入端“+”一方面通过第一电阻R270连接至采样电阻R272的一端，例如采样电阻R272通过供电开关电路连接电源VDD的一端，另一方面通过第二电阻R268接地；将所述运算放大器U22的反相输入端“-”一方面通过第三电阻R267连接至采样电阻R272的另一端，例如采样电阻R272连接供电输出接口VDD_OUT的一端，另一方面通过第四电阻R269连接运算放大器U22的输出端，配置第一、第二、第三、第四电阻R267-R270的阻值，以调节放大电路的放大倍数β。
在本实施例中，所述第一、第二、第三、第四电阻R267-R270的阻值可以根据实际电路的具体要求合理确定，但应满足第一电阻R270的阻值等于第三电阻R267的阻值，第二电阻R268的阻值等于第四电阻R269的阻值的取值要求。
通过运算放大器U22放大输出的电压信号Um传输至控制器MCU，优选传输至控制器MCU的其中一路ADC接口MCU_SENSE，利用控制器MCU中的ADC模块将接收到模拟电压信号Um转换成数字信号，以实现对电源VDD输出电流的实时监测。
在本实施例中，所述控制器MCU优选采用单片机或者微处理器进行供电电路的系统设计，结合图1所示。通过控制器MCU输出的用于控制供电开关电路通断的控制信号MCU_CTL，可以根据供电开关电路对控制信号MCU_CTL的具体接收要求确定并生成。
在本实施例中，所述供电开关电路优选采用三极管、MOS管、可控硅等开关元件配合简单的外围电路设计而成。当采用这类开关元件进行供电开关电路的结构设计时，可以选用控制器MCU的其中一路GPIO口输出高电平或低电平的开关量控制信号MCU_CTL，实现对供电开关电路的通断控制。
以N沟道MOS管Q10作为所述的开关元件为例进行说明，参见图2所示，可以将所述N沟道MOS管Q10的栅极通过限流电阻R271连接至控制器MCU的GPIO口，接收MCU输出的开关量控制信号MCU_CTL；将所述N沟道MOS管Q10的漏极连接电源VDD，源极通过采样电阻R272连接供电输出接口VDD_OUT。
当电子设备的系统电路启动运行时，MCU首先输出高电平控制信号MCU_CTL至N沟道MOS管Q10的栅极，控制N沟道MOS管Q10饱和导通，连通电源VDD与供电输出接口VDD_OUT之间的电流传输线路，并接收电流电压转换电路输出的电压信号Um。当MCU根据接收到的电压信号Um判定出电源VDD的输出电流正常时，保持其GPIO口的高电平状态。当MCU检测到电源VDD的输出电流异常时，置其所述的GPIO口为低电平，控制N沟道MOS管Q10截止，进而切断电源VDD的电流传输线路，控制供电电路停止向电子设备中的用电负载供电，以实现对电源VDD和用电负载的保护。
当选用PNP型三极管Q11设计所述的供电开关电路时，参见图3所示，可以将所述PNP型三极管Q11的基极连接至MCU的所述GPIO口，接收MCU输出的开关量控制信号MCU_CTL，并通过上拉电阻R277连接至电源VDD。将PNP型三极管Q11的发射极连接至电源VDD，集电极通过采样电阻R272连接供电输出接口VDD_OUT。
当电子设备的系统电路启动运行时，MCU首先输出低电平的控制信号MCU_CTL至PNP型三极管Q11的基极，控制PNP型三极管Q11饱和导通，连通电源VDD与供电输出接口VDD_OUT之间的电流传输线路，并实时采集电流电压转换电路输出的电压信号Um。当MCU根据接收到的电压信号Um判定出电源VDD的输出电流正常时，保持其GPIO口的低电平状态，控制电源VDD持续为后续的用电负载供电。当MCU检测到电源VDD的输出电流出现异常时，则通过其GPIO口输出高电平控制信号MCU_CTL，控制PNP型三极管Q11截止，进而切断电源VDD的电流传输线路，控制供电电路停止向电子设备中的用电负载供电，以实现对电源VDD和用电负载的保护。
当选用过流保护电路设计所述的控制电路时，所述过流保护电路可以具体采用一颗NPN型三极管Q5和一颗限流电阻R279设计而成，参见图5所示。将通过电流电压转换电路输出的电压信号Um通过限流电阻R279传输至NPN型三极管Q5的基极，用于对NPN型三极管Q5进行通断控制；将NPN型三极管Q5的发射极接地，集电极连接供电开关电路的控制端，并通过上拉电阻R278连接所述的电源VDD。
当有电源VDD供电时，所述供电开关电路首先受控导通，接通电源VDD与供电输出接口之间的电流传输线路，为后续用电负载供电。与此同时，电流电压转换电路实时采集、检测电流传输线路中流过的电流的大小，并转换成电压信号Um通过限流电阻R279作用于NPN型三极管Q5的基极。根据确定的设定阈值（所述设定阈值具体指当通过电源VDD输出的电流到达允许的最大值时，通过电流电压转换电路输出的电压信号Um的幅值）以及NPN型三极管Q5的选型确定限流电阻R279的阻值，以满足以下控制要求：
当通过电流电压转换电路输出的电压信号Um的幅值低于设定阈值时，NPN型三极管Q5保持关断状态，此时供电开关电路在电源VDD的控制下保持导通，通过电源VDD继续向用电负载供电；
当通过电流电压转换电路输出的电压信号Um的幅值超过设定阈值时，NPN型三极管Q5导通，拉低供电开关电路的控制端电位，控制供电开关电路关断，切断电源VDD与用电负载之间的电流传输线路，使电源VDD停止向用电负载供电，由此实现对用电负载以及电源自身的有效保护。
本实施例采用上述供电电路设计方式，在无需使用PMU的情况下，实现了对电源输出电流的智能化监控，将其应用在基于电池供电的电子设备中，不仅可以保护电子设备中的用电负载免受过流冲击，而且还可以避免电池因过度放电而造成的损害。
当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：设置有电源、供电开关电路、电流电压转换电路、控制电路以及供电输出接口；所述供电开关电路连接在电源与供电输出接口之间，对电源的输出电流进行通断控制；所述电流电压转换电路采集电源的输出电流，并转换成电压信号输出至所述的控制电路；所述控制电路根据接收到的电压信号对供电开关电路进行开关控制。
2.根据权利要求1所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：在所述电流电压转换电路中设置有采样电阻和放大电路；所述采样电阻串联在电源与供电输出接口之间的电流传输线路中；所述放大电路连接在采样电阻的两端，采集采样电阻两端的电压并进行放大，进而生成所述的电压信号输出至控制电路。
3.根据权利要求2所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：在所述放大电路中设置有运算放大器和四个电阻；运算放大器的同相输入端通过第一电阻连接采样电阻的一端，并通过第二电阻接地；运算放大器的反相输入端通过第三电阻连接采样电阻的另一端，并通过第四电阻连接运算放大器的输出端；所述运算放大器的输出端输出所述的电压信号至所述的控制电路。
4.根据权利要求3所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：所述采样电阻通过供电开关电路连接电源的一端经由第一电阻连接至运算放大器的同相输入端，采样电阻连接供电输出接口的一端通过第三电阻连接至运算放大器的反相输入端。
5.根据权利要求3所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：所述第一电阻与第三电阻同阻值；所述第二电阻与第四电阻同阻值。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：所述采样电阻的阻值小于5Ω。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：在所述供电开关电路中设置有一N沟道MOS管或者一PNP型三极管；
当选用N沟道MOS管时，N沟道MOS管的栅极连接控制电路，接收控制电路输出的控制信号，N沟道MOS管的漏极连接电源，源极通过串联的采样电阻连接所述的供电输出接口；
当选用PNP型三极管时，PNP型三极管的基极连接控制电路，接收控制电路输出的控制信号，并通过上拉电阻连接电源，PNP型三极管的发射极连接电源，集电极通过串联的采样电阻连接所述的供电输出接口。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：在所述控制电路中设置有一过流保护电路或者一控制器，所述过流保护电路或者控制器接收电流电压转换电路输出的所述电压信号，并在所述电压信号超出设定阈值时，输出控制信号至供电开关电路的控制端，对供电开关电路进行开关控制。
9.根据权利要求8所述的具有电流监控功能的供电电路，其特征在于：在所述过流保护电路中设置有一NPN型三极管和一限流电阻，所述NPN型三极管的基极通过限流电阻连接电流电压转换电路输出所述电压信号的接口，在所述电压信号超过设定阈值时受控导通，NPN型三极管的发射极接地，集电极连接所述供电开关电路的控制端。
10.一种电子设备，其特征在于：设置有用电负载和如权利要求1至9中任一项权利要求所述的具有电流监控功能的供电电路，所述用电负载连接供电电路的供电输出接口，接收供电电路输出的供电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20141022 |
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| CX01 | Expiry of patent term |