CN209982062U - 电源拓扑电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电源拓扑电路及电子设备，该电源拓扑电路包括至少两组用于连接电池的电池端子、与各电池端子对应的电子开关，以及DC‑DC转换器，每一组电池端子连接的电池的供电电压均与电子设备的主控芯片的工作电压范围匹配；每一组电池分别串联连接对应的电子开关后再连接到并联输出端；该并联输出端用于直接连接该电子设备的主控芯片的电源引脚；该并联输出端连接DC‑DC转换器，DC‑DC转换器用于连接电子设备的功能模块和/或主控芯片的接口电平。本实用新型可以实现电池可对主控芯片进行直接供电，而对主控芯片的接口电平及设备的功能模块进行电压转换后供电，这样可使各电池组放电完全，优化了系统电源整体效率等。

Description

电源拓扑电路及电子设备

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，尤其涉及一种电源拓扑电路及电子设备。

背景技术

使用电池供电的设备产品往往对系统整体功耗比较敏感，功耗控制的不好将非常影响电池的使用寿命。在实际运用中，很多智能低功耗设备产品在大部分的时间里其实处于休眠状态，通过定时唤醒或者外部触发转为正常工作状态，事件处理完毕又重新回到休眠状态。因此，对于这类低功耗设备产品的设计，系统整体电源效率和较低的待机电流是两个比较重要的技术参数。

通常地，1节AA电池在满电量状态下电压约为1.6V，完全耗光电量后电压约为0.9V。以4节AA电池串联供电，电池在正常使用期间的电压为3.6V～6.4V。目前，市面上的大部分低功耗设备产品选择4节AA电池为串联作为系统直流输入电源，再通过电压转换电路转换成所需的标称值电源电压，以用于为包括主控芯片和其他功能模块的电路进行供电。然而，对于这类电源拓扑结构的设备产品，由于不同的电压转换电路在不同状态下的不同损耗，其系统电源整体效率并不高，且一定程度上限制了电池的使用寿命。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种电源拓扑电路及电子设备，通过将电池分成至少两组且使各电池组的电压范围均与电子设备的主控芯片的工作电压范围匹配，使得各电池组可对主控芯片进行直接供电，而对主控芯片的接口电平及设备的功能模块进行电压转换后供电，这样可使各电池组放电完全，优化了系统电源整体效率等。

本实用新型的实施例提供一种电源拓扑电路，用于电子设备，该电源拓扑电路包括至少两组用于连接电池的电池端子、与各组电池端子对应的电子开关，以及DC-DC转换器，每一组电池端子连接的电池的供电电压均与所述电子设备的主控芯片的工作电压范围匹配；

每一组电池端子分别串联连接对应的电子开关后再连接到并联输出端；

所述并联输出端用于直接连接所述电子设备的主控芯片的电源引脚；

所述并联输出端还连接所述DC-DC转换器，所述DC-DC转换器用于连接所述电子设备的功能模块和/或所述主控芯片的接口电平；

各电子开关用于使各组电池端子连接的电池依次作为所述电子设备的系统电源。

进一步地，在上述电源拓扑电路中，所述电池端子包括第一组电池端子和第二组电池端子，所述电子开关包括二极管和第一开关；

所述第一组电池端子串联连接所述二极管后连接到所述并联输出端，所述第二组电池端子串联连接所述第一开关后连接到所述并联输出端，所述第一开关的控制端用于连接所述主控芯片的第一控制引脚。

进一步地，在上述电源拓扑电路中，所述第一开关为继电器、MOS管、三极管或晶闸管。

进一步地，在上述电源拓扑电路中，所述电池端子还包括第三组电池端子，所述电子开关还包括第二开关；

所述第三组电池端子串联连接所述第二开关后连接到所述并联输出端，所述第二开关的控制端用于连接所述主控芯片的第二控制引脚。

进一步地，在上述电源拓扑电路中，所电子设备的功能模块包括接口电路、存储器、射频电路、显示电路和语音电路中的一种或多种组合。

进一步地，在上述电源拓扑电路中，若所述主控芯片的工作电压范围为1.8V～3.8V，各组电池均包括两节串联的AA或AAA电池。

进一步地，在上述电源拓扑电路中，若所述主控芯片的工作电压范围为1.8V～3.8V，各组电池均包括一个单体锂电池。

进一步地，在上述电源拓扑电路中，还包括：多组电池，每一组电池对应连接一组电池端子，各组电池用于依次作为所述电子设备的系统电源。

本实用新型的又一实施例提供一种电子设备，包括上述的电源拓扑电路。

进一步地，在上述电子设备中，所述电子设备为智能门锁或智能门铃。

本实用新型提出的电源拓扑电路通过将电池分成至少两组且使各电池组的电压范围均与电子设备的主控芯片的工作电压范围匹配，使得各电池组可对主控芯片进行直接供电，而对其他功能模块则进行电压转换以提供所需的工作电压，这样可使各电池组进行放电完全，优化了系统电源总体效率等。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1(a)和图1(b)分别示出了现有的4节AA电池串联供电的两种方案；

图2示出了本实用新型实施例的电源拓扑电路的第一结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例的电源拓扑电路的第二结构示意图。

主要元件符号说明：

100-电源拓扑电路；1-电池端子；101-第一组电池端子；102-第二组电池端子；103-第三组电池端子；2-电子开关；D1-二极管；S1-第一开关；S2-第二开关；3-DC-DC转换器；200-电子设备。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

对于目前一些主流的主控芯片，其芯片工作电压与其接口电平的供电是分开供电的，这是由于主控芯片的工作电压可以具有一定的电压范围，例如，有些主控芯片在1.8V～3.8V这一电压范围内均可以正常工作。

然而，为了方便电源管理，现有的电源设计电路大多采用一路电源供电。例如，以4节AA电池串联作为系统直流输入电源为例，对于这类设备产品的电源拓扑主要有两种方案：方案一是4节AA电池串联后输出到DC-DC转换器以用于为负载供电，如图1(a)所示；方案二是4节AA电池串联后输出到LDO转换器(LDO，low dropout regulator，低压差线性稳压器)以用于为负载供电，如图1(b)所示。

针对方案一，使用DC-DC转换器为主控供电，在轻载状态下，DC-DC转换器的转换效率较低，通常地，在10uA的输出电流下其电源转换效率在20％以下。事实上，以电池供电的低功耗设备产品，其主控芯片MCU很大一部分时间是处于待机状态，即在轻负载下运行，此时待机消耗的电流可达到微安级别。可见，在待机状态下该DC-DC转换器的转换效率很低，这将大大降低系统电源的整体效率。

而针对方案二，使用LDO转换器虽然可以改善上述问题，这是由于LDO转换器的输出在负载空闲或关断的情况下自身损耗很小，但是，方案二也存在一个问题，即当LDO转换器在正常负载下，如10mA以上的输出电流时，自身损耗较大，其电源转换效率相比于DC-DC转换器将低很多。虽然主控芯片大多数时间都是在待机状态，但其在转为正常工作模式后负载电流将相对待机状态高出很多，甚至会在1000倍以上，故其正常工作模式下的电源效率同样不可忽视。

基于此，本实用新型提出一种电源拓扑电路，以实现优化系统电源拓扑架构去提高系统电源总体效率。

实施例1

请参照图2，本实施例提出一种电源拓扑电路100，可应用于以电池供电的电子设备200，如智能门锁、智能门铃、智能时钟等。采用该电源拓扑电路100作为电源拓扑架构，可提高该电子设备200的系统电源整体效率，并一定程度上延长了电池的使用寿命等。下面对该电源拓扑电路100进行详细说明。

如图2所示，该电源拓扑电路100包括至少两组用于连接电池的电池端子1、与各组电池端子1对应的电子开关2，以及DC-DC转换器3，其中，每一组电池端子1分别串联连接对应的电子开关2后再连接到并联输出端。该并联输出端用于直接连接电子设备200的主控芯片的电源引脚VCC。另外，该并联输出端还连接该DC-DC转换器3，该DC-DC转换器3用于连接该电子设备200的功能模块和/或该主控芯片的接口电平。

本实施例中，该电源拓扑电路100中的每一组电池端子1连接的电池的供电电压均与该电子设备200的主控芯片的工作电压范围匹配。可以理解，由于电压匹配，故上述每一组连接的电池均可用于直接为该主控芯片进行供电而不需要通过电压转换器进行电压转换。其中，每组电池的供电电压可根据选取的主控芯片的工作电压范围来确定。

例如，若选取的主控芯片的正常工作的电压范围为1.8～3.8V，如目前主流的CC13XX、CC26XX系列等低功耗主控芯片，则每组的电池的供电电压可根据该电压范围来确定电池的型号及数量等。例如，1节AA或AAA电池在满电量状态下电压约为1.6V，完全耗光电量后电压约为0.9V，则2节AA或AAA电池串联的电压则为1.8～3.2V。于是，根据上述的主控芯片的1.8～3.8V工作电压范围可选取2节AA或AAA电池串联作为一组电池。

可以理解，本实施例中的每组电池不应限于上述的采用2节AA或AAA电池串联的结构，例如，一个单体的锂电池在满电量状态下电压约为3.7V，故本实施例中的每组电池还可以采用一个单体锂电池等等。此外，由于每组电池相互独立，故各组电池的结构可以相同，也可以不同，只要能满足匹配主控芯片的工作电压范围即可。

本实施例中，各电子开关2用于使各组电池端子1连接的电池依次作为该电子设备200的系统电源。可选地，该电源拓扑电路100还包括多组电池，其中，每一组电池对应连接一组电池端子1。可以理解，当一组电池的电量即将耗尽时，则主控芯片将通过电子开关2切换到另一组电池以实现继续供电。其中，每一组电池端子1均对应连接一电子开关2。示范性地，该电子开关2可包括带控制端或不带控制端的开关，如二极管、继电器、MOS管、三极管或晶闸管等等。

优选地，如图3所示，若该电源拓扑电路100包括两组电池端子，分别为第一组电池端子101和第二组电池端子102，该电子开关2将包括二极管D1和第一开关S1，其中，该第一开关S1可采用如继电器、MOS管、三极管或晶闸管等带控制端的开关。具体地，该第一组电池端子101串联连接该二极管D1后连接到并联输出端；而该第二组电池端子102串联连接该第一开关S1后连接到并联输出端，该第一开关S1的控制端EN用于连接至该电子设备200的主控芯片的一控制引脚。

可以理解，若各组电池端子1连接有电池，对于其中一组电池采用二极管D1作为电子开关2，不仅不需要多占用一主控芯片的控制引脚，还可以防止当另一组电池进行供电时对该组电池进行充电，对于一次性电池而言，可大大提高电池使用的安全性等。通常地，将二极管D1作为电子开关2的那组电池进行优先供电。

当然，该电源拓扑电路100还可以包括更多组数的电池端子1。示范性地，若该电源所有的拓扑电路还包括第三组电池端子103，该电子开关2还将包括第二开关S2，具体地，该第三组电池端子103将串联连接该第二开关S2后连接到并联输出端，该第二开关S2的控制端用于连接该主控芯片的第二控制引脚。

示范性地，该第三组电池端子103用于连接电池，该电池可采用与上述两组电池相同或不同的电池型号；而该第二开关S2可采用与第一开关S1相同或不同的开关。可以理解，第三组电池端子103连接的电池将与第一组电池端子101连接的电池、第二组电池端子102连接的电池进行并联连接，以用于当第一组连接的电池和第二组连接的电池依次耗完电量时对负载进行供电。

本实施例中，该DC-DC转换器3用于将处于工作状态的电池进行升压或降压处理，以满足该电子设备200中的主控芯片的接口电平的供电和/或其他功能模块的工作电压需求。例如，该接口电平和/或功能模块的工作电压可为1.8V或5V等等。示范性地，该功能模块可包括但不限于为存储器、射频电路、显示电路和语音电路等的一种或多种组合。

下面对该电源拓扑电路100的工作过程进行说明，具体以如图3所示的两组电池的电源拓扑电路100进行说明。

如图3所示，当第一组电池端子101连接的电池作为系统电源进行供电时，主控芯片将实时检测该第一组电池的电池电量，当主控芯片检测到该第一组电池的电量低于预设阈值，即为低电量状态时，将使能该第一开关S1的控制端EN，使得该第一开关S1由断路状态变为通路状态，此时系统供电将由第一组电池将切换为由第二组电池端子102连接的电池进行供电。而二极管D1的作用可防止第二组电池在进行供电时对第一组电池进行充电。例如，若各组电池的电压范围为1.8～3.2V，则上述的低电量状态所对应的阈值可设置1.85V，这样可在第一组电池还未完全耗尽所有电量时，仍还正常的供电范围内，从而实现两组电池的无缝切换。

可以理解，当电子设备200处于轻载或待机休眠状态时，相对于现有的方案，此时电池将不通过电压转换器而直接给主控芯片进行供电，忽略二极管D1的损耗，此时电池的电源转换效率几乎为100％。并且，若2节AA或AAA电池在完全放电完毕电压为1.8V，仍满足主控芯片的供电需求，电池电量的利用率几乎为100％。若此时主控芯片由待机休眠状态转为正常工作状态时，主控芯片的供电仍是通过电池直接供电，而主控芯片的接口电平及其他功能模块的供电相比于待机状态下会消耗较大的电流，但是由于采用的是DC-DC转换器3，相对于LDO转换器，则该电子设备200在正常工作模式下的电源转换效率将明显优于LDO转换器的方案。这样无论主控芯片是待机状态还是正常工作状态，都可以使电池供电的效率都是最高的。

本实施例的电源拓扑电路通过将供电电池分成至少两组且使各电池组的电压范围均与电子设备200的主控芯片的工作电压范围匹配，使得各电池组可对主控芯片进行直接供电，而对主控芯片的接口电平及其他功能模块则采用DC-DC电压转换以提供所需的工作电压，这样可使各电池组达到几乎完全放电状态，优化了系统电源整体效率，大大提高了电池使用寿命等。

请参照图2，本实用新型的另一实施例提出一种电子设备200，该电子设备200可采用上述实施例1的电源拓扑电路100作为供电电源的拓扑架构。可以理解，上述实施例1中的可选项同样适用于本实施例的电子设备200，故在此不再详述。示范性地，该电子设备200可包含但不限于为智能门锁、智能门铃、智能时钟等等。应当理解，该电子设备200应当是可以利用电池电源进行供电的设备。通过该电源拓扑电路100优化了系统电源整体效率，大大提高了电池使用寿命等。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种电源拓扑电路，其特征在于，用于电子设备，该电源拓扑电路包括至少两组用于连接电池的电池端子、与各组电池端子对应的电子开关，以及DC-DC转换器，每一组电池端子连接的电池的供电电压均与所述电子设备的主控芯片的工作电压范围匹配；

每一组电池端子分别串联连接对应的电子开关后再连接到并联输出端；

所述并联输出端用于直接连接所述电子设备的主控芯片的电源引脚；

所述并联输出端还连接所述DC-DC转换器，所述DC-DC转换器用于连接所述电子设备的功能模块和/或所述主控芯片的接口电平；

各电子开关用于使各组电池端子连接的电池依次作为所述电子设备的系统电源。

2.根据权利要求1所述的电源拓扑电路，其特征在于，所述电池端子包括第一组电池端子和第二组电池端子，所述电子开关包括二极管和第一开关；

所述第一组电池端子串联连接所述二极管后连接到所述并联输出端，所述第二组电池端子串联连接所述第一开关后连接到所述并联输出端，所述第一开关的控制端用于连接所述主控芯片的第一控制引脚。

3.根据权利要求2所述的电源拓扑电路，其特征在于，所述第一开关为继电器、MOS管、三极管或晶闸管。

4.根据权利要求2所述的电源拓扑电路，其特征在于，所述电池端子还包括第三组电池端子，所述电子开关还包括第二开关；

所述第三组电池端子串联连接所述第二开关后连接到所述并联输出端，所述第二开关的控制端用于连接所述主控芯片的第二控制引脚。

5.根据权利要求1所述的电源拓扑电路，其特征在于，所电子设备的功能模块包括存储器、射频电路、显示电路和语音电路中的一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述的电源拓扑电路，其特征在于，若所述主控芯片的工作电压范围为1.8V～3.8V，各组电池均包括两节串联的AA或AAA电池。

7.根据权利要求1所述的电源拓扑电路，其特征在于，若所述主控芯片的工作电压范围为1.8V～3.8V，各组电池均包括一个单体锂电池。

8.根据权利要求1所述的电源拓扑电路，其特征在于，还包括：多组电池，每一组电池对应连接一组电池端子，各组电池用于依次作为所述电子设备的系统电源。

9.一种电子设备，其特征在于，包括根据权利要求1-8任一项所述的电源拓扑电路。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为智能门锁或智能门铃。

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