CN205721194U - 单片机的电源保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单片机的电源保护系统。其中，该系统包括：控制芯片、单片机和外接设备，其中，控制芯片，分别与单片机和外接设备电连接，用于将外接输入电压转换为对应单片机的第一电压和对应外接设备的第二电压；单片机，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第一电压；外接设备，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第二电压。本实用新型解决了由于相关技术电压监控电路和看门狗电路需要单独设计，导致设计成本高，并且占用印刷电路板PCB的面积大的技术问题。

Description

单片机的电源保护系统

技术领域

本实用新型涉及电气应用技术领域，具体而言，涉及一种单片机的电源保护系统。

背景技术

随着单片机技术的广泛运用，根据国际电工委员会第61508条协议(InternationalElectrotechnical Commission，简称IEC61508)的规定，在功能安全产品中，必须对单片机最小系统的供电电压和程序运行进行监控才能满足安全性要求。相关技术中大部分单片机的内核电源电压为1.2V或1.8V，I/O口电源电压为3.3V，外设电源电压为5V，因此需要为单片机最小系统提供多规格安全电源才能满足要求。现在通用的解决方案是划分为电压转换电路、电压监控电路和窗口看门狗电路三个独立的功能单元电路来实现，当电压监控电路监控到电压异常或看门狗溢出时，将触发复位单片机。具体包括以下两种技术方案，分别如图1和图2所示。

图1是第一种相关技术方案的工作原理的结构示意图：采用3个独立的电压转换电路，分别实现24V到5V、5V到3.3V、3.3V到1.2V的阶梯电压转换。3个独立的电压监控电路分别监控5V、3.3V和1.2V的欠压和过压状态，当被监控电压出现异常时复位单片机。独立的窗口看门狗监控单片机中程序运行，当单片机不在约定时间内触发看门狗时，看门狗溢出复位单片机。

图2是第二种相关技术方案的工作原理的结构示意图：采用一片集成的电压转换器实现24V到5V、3.3V和1.2V电压转换，3个独立的电压监控电路分别监控5V、3.3V和1.2V的欠压和过压状态，当被监控电压出现异常时复位单片机。独立的窗口看门狗监控单片机中程序运行，当单片机不在约定时间内触发看门狗时，看门狗溢出复位单片机。

针对上述由于相关技术电压监控电路和看门口电路需要单独设计，导致设计成本高，并且占用印刷电路板PCB的面积大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种单片机的电源保护系统，以至少解决由于相关技术电压监控电路和看门狗电路需要单独设计，导致设计成本高，并且占用印刷电路板PCB的面积大的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种单片机的电源保护系统，包括：控制芯片、单片机和外接设备，其中，控制芯片，分别与单片机和外接设备电连接，用于将外接输入电压转换为对应单片机的第一电压和对应外接设备的第二电压；单片机，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第一电压；外接设备，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第二电压。

在本实用新型实施例中，采用控制芯片集成电压监控和看门狗电路的方式，通过控制芯片，分别与单片机和外接设备电连接，用于将外接输入电压转换为对应单片机的第一电压和对应外接设备的第二电压；单片机，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第一电压；外接设备，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第二电压，达到了降低设计成本的目的，从而实现了节约PCB板设计面积，节约生产设计成本的技术效果，进而解决了由于相关技术电压监控电路和看门狗电路需要单独设计，导致设计成本高，并且占用印刷电路板PCB的面积大的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是第一种相关技术方案的工作原理的结构示意图；

图2是第二种相关技术方案的工作原理的结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的单片机的电源保护系统的结构示意图；

图4是根据本实用新型实施例的一种单片机的电源保护系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本实用新型实施例，提供了一种单片机的电源保护系统的系统实施例，图3是根据本实用新型实施例的单片机的电源保护系统的结构示意图，如图3所示，该系统包括：控制芯片32、单片机34和外接设备36，其中，

控制芯片32，分别与单片机34和外接设备36电连接，用于将外接输入电压转换为对应单片机34的第一电压和对应外接设备36的第二电压；

单片机34，与控制芯片32电连接，用于接收控制芯片32变压后的第一电压；

外接设备36，与控制芯片32电连接，用于接收控制芯片32变压后的第二电压。

由上可知，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统可以应用于对单片机最小系统的供电电压和程序运行进行监控，区别于相关技术，例如图1和图2所示的相关技术，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统通过控制芯片32能够对外接输入电压进行变压并且能够对变压后的电压进行监控，以使得控制芯片32输出的第一电压能够满足单片机34和外接设备36的工作电压(即，本申请实施例提到的第一电压和第二电压)，从而避免了相关技术中由于相关技术电压监控电路和看门狗电路需要单独设计，导致的设计成本高以及印刷电路PCB板的板面布局占用面积大的问题，进而节约了设计成本和各器件在PCB板上所占的面积。

本申请实施例提供的单片机的电源保护系统中，采用控制芯片集成电压监控和看门狗电路的方式，通过控制芯片，分别与单片机和外接设备电连接，用于将外接输入电压转换为对应单片机的第一电压和对应外接设备的第二电压；单片机，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第一电压；外接设备，与控制芯片电连接，用于接收控制芯片变压后的第二电压，达到了降低设计成本的目的，从而实现了节约PCB板设计面积，节约生产设计成本的技术效果，进而解决了由于相关技术电压监控电路和看门狗电路需要单独设计，导致设计成本高，并且占用印刷电路板PCB的面积大的技术问题。

图4是根据本实用新型实施例的一种单片机的电源保护系统的结构示意图，如图4所示，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统具体如下：

可选的，控制芯片32包括：电压转换电路321和电压监控电路322，其中，

电压转换电路321，分别与单片机34和外接设备36的电源端电连接，用于将外接输入电压转换为对应单片机34的第一电压和对应外接设备36的第二电压；

电压监控电路322，与电压转换电路321电连接，用于检测电压转换电路321输出的第一电压和第二电压是否达到预设标准，预设标准用于检测输入电压是否为单片机34和外接设备36的工作电压。

具体的，本申请实施例提供的控制芯片32中，电压转换电路321的输入端与外接输入电源电连接，电压转换电路321的输出端分别与外接设备36和单片机34电连接，如图4所示，电压转换电路321的输入端在接收24V的电压输入后，通过变压，输出的电压中外接设备36的输入电压为5V，单片机34的输入电压为3.3V和1.2V，即，控制芯片32中的电压转换电路321依据外接设备36和单片机34的电压输入需求，将外接输入电源输出的外接输入电压进行变压得到满足外接设备36和单片机34的输出电压(即本申请实施例提供的第一电压和第二电压)；

为保障电压转换电路321输出的第一电压和第二电压为单片机34和外接设备36的工作电压(即，本申请实施例提供的通过预设标准对电压转换电路321输出的第一电压和第二电压进行检测)，本申请实施例提供的控制芯片32中电压监控电路322通过与电压转换电路321电连接，对该电压转换电路321输出的电压进行检测，以保障电压转换电路321输出的电压由于过高导致的损坏单片机34和外接设备36，或，及时发现该电压转换电路321变压后输出的电压由于电压过低导致的不能驱动外接设备36和单片机34。电压监控电路322保障了控制芯片32中的电压转换电路321在对外接输入电压进行变压后是否能够达到满足外接设备36和单片机34的需求，并对外接设备36和单片机34是否能够安全使用提供了保障。

这里由于大部分单片机的内核电源电压为1.2V或1.8V，I/O口电源电压为3.3V，外设电源电压为5V，因此需要为单片机最小系统提供多规格安全电源才能满足要求，本申请实施例提供的控制芯片32中电压转换电路321的输出电压中第一电压分别输出3.3V和1.2V，第二电压输出5V，即，单片机34的I/O口的输入电压为3.3V(即，图4所示的VCC1端)、单片机34的内核电源电压为1.2V(即，图4所示的VCC2端)，外接设备36的输入电压为5V。需要说明的是，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统仅以上述输出电压为例进行说明，以实现本申请实施例提供的单片机的电源保护系统为准，具体不做限定。

进一步地，可选的，电压转换电路321包括：直流转换装置3211和稳压器组3212，其中，

直流转换装置3211，与外接电源电连接，用于将外接电源的外接输入电压转换为第三电压；

稳压器组3212，与直流转换装置3211电连接，用于将第三电压转换为对应第一电压和第二电压。

具体的，如图4所示，在电压转换电路321中，电压转换电路321通过直流转换器3211将交流/直流电压转换为直流电压，其中，外接输入电压24V经过直流转换器3211DC/DC转换为中间电压V1(即，本申请提供的第三电压)，V1再经过稳压器组3212(即图4中所示的LDO1～LDO3)分别输出5V、3.3V和1.2V。一般稳压器组3212要求输入与输出之间最小电压差为0.5V，而V1电压值若太高会造成稳压器组3212组成的转换电路发热，则将会损坏由稳压器组3212组成的转换电路，所以本申请实施例提供的控制芯片32为多功能集成芯片TPS65381，该TPS65381芯片的V1电压为6V，既能满足后端稳压器组3212组成的转换电路路的需求，又不会在工作时产生很多热量。进而，在得到第三电压V1后稳压器组3212将V1分别转换为第一电压和第二电压，如图4所示，将V1转换为5V、3.3V和1.2V。

进一步地，稳压器组3212包括：多个稳压器32121，且稳压器为低压差线性稳压器，其中，第一稳压器，与外接设备36电连接，用于输出对应外接设备36的第二电压；第二稳压器和第三稳压器，与单片机34电连接，用于输出对应单片机34的第一电压。

具体的，如图4所示，本申请实施例提供的稳压器组3212为低压差线性稳压器(Low Dropout regulator，简称LDO)，在接收到第三电压V1后，将该V1转换为第一电压和第二电压，其中，稳压器组3212中，第一稳压器与外接设备36电连接，第二稳压器和第三稳压器与单片机34电连接，由上可知，图4中的VCC1接第二稳压器，VCC2接第三稳压器，第二稳压器输出3.3V电压，第三稳压器输出1.2V电压。

可选的，电压监控电路322，分别与直流转换装置3211和稳压器组3212电连接，用于检测第三电压、第一电压和第二电压是否达到预设标准。

具体的，如图4所示，电压监控电路322分别与电压转换电路321中的直流转换装置3211和稳压器组3212电连接，用于检测直流转换装置3211输出的第三电压、稳压器组3212输出的第一电压和第二电压是否满足预设标准。

可选的，控制芯片32还包括：程序监控电路323，其中，

程序监控电路323，与单片机34电连接，用于监控单片机34的程序运行。

此外，如图4所示，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统中控制芯片32中还包括：程序监控电路323，这里本申请实施例中的程序监控电路323可以为图4所示的带独立时基的窗口看门狗电路，通过预设定时器判断是否有接收到单片机34发送的信号，如果在定时器超时还未接收到单片机34发送的信号时，本申请实施例中的程序监控电路323(即，图4中的带独立时基的窗口看门狗电路)将触发复位单片机34的复位信号。其中，控制芯片32接收单片机34发送的配置信息和触发信号，当监控到单片机34不按预设时间发送触发信号时，程序监控电路323向单片机34发送复位信号，复位该单片机34。

进一步地，程序监控电路323包括：配置模块和功能模块，其中，

配置模块，与单片机34电连接，用于接收单片机34发送的配置信息；

功能模块，与单片机34电连接，用于接收单片机34的触发信号和向单片机34发送复位信号。

具体的，程序监控电路323中的功能模块与单片机34电连接，用于接收在预设时间内单片机34发送的触发信号，同时用于在预设时间内未收到触发信号的情况下，向单片机34发送复位信号，以使得单片机34复位。

可选的，单片机34包括：第一电压输入端341、第二电压输入端342和串行外设接口343，其中，

第一电压输入端341和第二电压输入端342，与电压转换电路321电连接，用于接收电压转换电路321输出的第一电压，其中，第一电压输入端341接收到的电压大于第二电压输入端342接收到的电压；

串行外设接口343，分别与电压监控电路322和程序监控电路323电连接，用于配置电压监控电路322和程序监控电路323。

具体的，如图4所示，单片机34中包括第一电压输入端341(图4所示的VCC1)、第二电压输入端342(图4所示的VCC2)和串行外设接口343(图4所示的SPI)，这里第一电压输入端341和第二电压输入端342与控制芯片32中的电压转换电路321电连接，用于接收电压转换电路321输出的第一电压，其中，第一电压输入端341为数据输入输出I/O端口，第二电压输入端342为内核电源电压输入端，如图4所示，第一电压输入端341的电压为3.3V，第二电压输入端342为1.2V。

串行外设接口(Serial Peripheral Interface，简称SPI)343分别与控制芯片32中的电压监控电路322和程序监控电路323电连接，单片机34通过串行外设接口343配置控制芯片32中的电压监控电路322和程序监控电路323，并在配置完成后释放该串行外设接口343。

可选的，单片机34还包括：复位接口344和信号输出接口345，其中，

复位接口344，分别与电压监控电路322和程序监控电路323电连接，用于接收电压监控电路322或程序监控电路323发送的复位信号；

信号输出接口345，与程序监控电路323电连接，用于发送的触发信号。

具体的，如图4所示，在本申请实施例中单片机34中的复位接口344为图4中所示的RST端口，信号输出接口345为图4中所示的WDI端口。其中，复位接口344分别与控制芯片32中的电压监控电路322和程序监控电路323电连接，用于在电压监控电路322检测到第一电压和第二电压过压或欠压的情况下输出的复位信号，或，程序监控电路323在预设时间内未接收到触发信号，发送的复位信号，这里对应单片机34侧，信号输出接口345为在预设时间内向控制芯片发送触发信号的端口。

综上，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统在使用时，具体如下：

首先，为TPS65381(即，本申请实施例提供的控制芯片32)的电压转换电路321提供冗余的24V电源。

第二，为控制芯片32的VSAF提供独立的24V电源。

第三，单片机34完成初始化之后，通过SPI读取TPS65381芯片内的寄存器，确认电压监控功能是否可用，如果不可用则使能电压监控功能。即，对应上述单片机34的串行外设接口343与控制芯片32的电压监控电路322电连接。

第四，单片机通过SPI配置TPS65381芯片内的看门狗，在运行过程中，单片机34通过WDI在约定时间内触发看门狗。即，对应上述串行外设接口343和信号输出接口345。

第五，单片机通过SPI完成TPS65381芯片初始化之后释放SPI口。即，释放上述串行外设接口343。

由上可知，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统提供采用了集电压转换、电压监控和独立时基窗口看门狗功能于一体的TPS65381芯片解决于相关技术电压监控电路和看门狗电路需要单独设计，导致设计成本高，并且占用印刷电路板PCB的面积大的技术问题。

此外，与现有技术相比，本申请实施例提供的单片机的电源保护系统具有以下优点：(1)器件种类单一，方便供应商管理；(2)不需要单独设计电压监控电路和看门狗电路；(3)占用PCB板面积小。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种单片机的电源保护系统，其特征在于，包括：控制芯片、单片机和外接设备，其中，

所述控制芯片，分别与所述单片机和所述外接设备电连接，用于将外接输入电压转换为对应所述单片机的第一电压和对应所述外接设备的第二电压；

所述单片机，与所述控制芯片电连接，用于接收所述控制芯片变压后的所述第一电压；

所述外接设备，与所述控制芯片电连接，用于接收所述控制芯片变压后的所述第二电压。

2.根据权利要求1所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述控制芯片包括：电压转换电路和电压监控电路，其中，

所述电压转换电路，分别与所述单片机和所述外接设备的电源端电连接，用于将外接输入电压转换为对应所述单片机的所述第一电压和对应所述外接设备的第二电压；

所述电压监控电路，与所述电压转换电路电连接，用于检测所述电压转换电路输出的所述第一电压和所述第二电压是否达到预设标准，所述预设标准用于检测所述输入电压是否为所述单片机和所述外接设备的工作电压。

3.根据权利要求2所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述电压转换电路包括：直流转换装置和稳压器组，其中，

所述直流转换装置，与外接电源电连接，用于将所述外接电源的外接输入电压转换为第三电压；

所述稳压器组，与所述直流转换装置电连接，用于将所述第三电压转换为对应所述第一电压和所述第二电压。

4.根据权利要求3所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述稳压器组包括：多个稳压器，且所述稳压器为低压差线性稳压器，其中，第一稳压器，与所述外接设备电连接，用于输出对应所述外接设备的所述第二电压；第二稳压器和第三稳压器，与所述单片机电连接，用于输出对应所述单片机的所述第一电压。

5.根据权利要求3所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述电压监控电路，分别与所述直流转换装置和所述稳压器组电连接，用于检测所述第三电压、所述第一电压和所述第二电压是否达到所述预设标准。

6.根据权利要求2所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述控制芯片还包括：程序监控电路，其中，

所述程序监控电路，与所述单片机电连接，用于监控所述单片机的程序运行。

7.根据权利要求6所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述程序监控电路包括：配置模块和功能模块，其中，

所述配置模块，与所述单片机电连接，用于接收所述单片机发送的配置信息；

所述功能模块，与所述单片机电连接，用于接收所述单片机的触发信号和向所述单片机发送复位信号。

8.根据权利要求6所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述单片机包括：第一电压输入端、第二电压输入端和串行外设接口，其中，

所述第一电压输入端和所述第二电压输入端，与所述电压转换电路电连接，用于接收所述电压转换电路输出的所述第一电压，其中，所述第一电压输入端接收到的电压大于所述第二电压输入端接收到的电压；

所述串行外设接口，分别与所述电压监控电路和所述程序监控电路电连接，用于配置所述电压监控电路和所述程序监控电路。

9.根据权利要求6所述的单片机的电源保护系统，其特征在于，所述单片机还包括：复位接口和信号输出接口，其中，

所述复位接口，分别与所述电压监控电路和所述程序监控电路电连接，用于接收所述电压监控电路或所述程序监控电路发送的复位信号；

所述信号输出接口，与所述程序监控电路电连接，用于发送的触发信号。