CN215297575U - 一种板载功耗检测与保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种板载功耗检测与保护装置，包括：检测单元，内设电流及功耗检测电路；保护单元，内设继电器；控制单元，分别与所述检测单元和保护单元相连接；本实用新型是一种基于板载的功耗检测及过载保护装置，其可以对元件或电路的电流和功率进行实时、准确的检测，同时可以将检测到的数据实时显示在0LED液晶屏上，便于人们直观及时的读取数据，了解电流状态及消耗功率，还可以对电路或设备进行过载保护。

Description

一种板载功耗检测与保护装置

技术领域

本实用新型属于电子设计技术领域，具体涉及一种板载功耗检测与保护装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着现代电子技术、集成电路技术、传感器技术和制造业技术等高端技术的迅速发展，精准的电流对于一些精密器件至关重要，如何对电流进行精准的检测是保证电流精确的重要手段，目前所有的电流检测都是基于外部检测设备，缺乏一定的实时性，且外部检测设备体积大，取用有诸多不便。

目前应用最为广泛和简单的是以万用表为代表的各类电压电流检测仪器，这类仪器在测量电流时需要将电路断开，将仪表接入电路，使用非常麻烦，这类仪表对微小电流的检测不够精确，误差较大，而且这类仪表无法对电路板的集成电路进行测量。目前能够进行电流的精确测量和功率计算的设备多是一些专用设备，不具备通用性，而且价格昂贵。

发明人发现现有技术存在以下技术问题：

在进行电流及功率检测时，目前现有的技术对检测集成电路板电流及功率时，受各种因素的影响测量时有诸多不便，测量精度不够，以及无法实现设备或电路运行的全程检测，以目前现有的技术当检测到电流超过允许值时无法对设备或电路实现过载保护。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种板载功耗检测与保护装置，本实用新型设计了一种可以应用在各种需要功耗及电流检测的集成电路板的板载实时功耗检测与保护装置，该装置以INA226为功耗及电流的检测元件，以STC15W201S为核心微控制器，配合4针的 1.5寸OLED液晶屏，组合成了板载实时功耗检测与保护装置；本实用新型可以有多种形式的报警功能，利用一个继电器实现对检测电路的过流保护，可以通过功能按键来改变该装置检测电路允许额定电流的上下限值；本实用新型的各个部分都能与STC15W201S核心微控制器相互联系，使该装置能对各个部分进行控制和管理。

根据一些实施例，本实用新型提供了一种板载功耗检测与保护装置，采用如下技术方案：

一种板载功耗检测与保护装置，包括：

检测单元，内设电流及功耗检测电路；对被测总线上的分流电压和总线电压进行测量；

保护单元，内设继电器；所述继电器的开关串接入被测电路；

控制单元，分别与所述检测单元和保护单元相连接；所述控制单元通过所述电流及功耗检测电路的输出寄存器获取所述电流及功耗检测电路检测到的数据，所述控制单元对检测到的数据进行处理。

进一步的，还包括显示单元，所述显示单元采用液晶显示屏，所述液晶显示屏上设置有功能按键。

更进一步的，所述功能按键包括设置键、数值增加键和数值减少键。

更进一步的，所述液晶显示屏采用4针的分辨率为128*128的 1.5寸OLED液晶屏。

进一步的，还包括报警单元，所述报警单元采用声光报警器。

进一步的，所述电流及功耗检测电路采用INA226数字电流分流监控器。

更进一步的，所述INA226数字电流分流监控器包括I²C集成电路总线接口和SMBus系统管理总线接口。

进一步的，所述控制单元内设控制器，所述控制器采用 STC15W201S单片机。

进一步的，所述继电器采用常闭继电器。

更进一步的，所述常闭继电器的常闭触点开关与所述检测电路相连接。

本实用新型的工作原理为：

所述INA226数字电流分流监控器对被测总线上的分流电压和总线电压进行测量；首先，被测电流在流经所述INA226数字电流分流监控器上的一个分流电阻器的负载电流上逐渐形成的电压并生成了一个分流电压，所述分流电压是在VIN+和VIN-两个引脚上进行测量；同时在所述INA226数字电流分流监控器的VBUS引脚上连接所述分流电压还能对电源总线电压进行测量，利用MFR_CALIBRATION指令设置校准寄存器缩放，返回值是通过缩放合适的最低有效位或PMBus直接方程估算的电流、电压、功率，并能把得到的电流、电压、功率的值放入所述INA226数字电流分流监控器的输出寄存器中。

所述STC15W201S单片机通过所述INA226数字电流分流监控器的输出寄存器获取所述INA226数字电流分流监控器检测到的数据，所述STC15W201S单片机对检测到的数据进行处理，使其能够实时显示在OLED液晶屏上，并能以波形的的形式将电流、电压和功耗的变化以波形的形式显示出来。

所述STC15W201S单片机对获取的数据与设置数据的上下限值进行比较，当被测电路的电流超过额定值时，OLED液晶屏显示的数据及波形不断闪烁(不触发报警时颜色为蓝色)；当被测电流接近被测电路或元器件的最大可承载电流时，电路发出报警，这里的报警可以根据用户的需求有多种形式，比如语音报警，短信报警等；所述 STC15W201S单片机给继电器发出信号，控制所述继电器断开被测电路或元器件。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型解决了集成电路板电流及功率检测时检测困难，准确度欠缺，缺少实时性，无法进行过载保护，检测设备昂贵，以及对微小电流的灵敏度不够等难题，通过将检测电路提前放入印刷电路板中，实现了占用面积小，成本低廉，同时基于板载之后，电流及功率的检测可以伴随着设备运行的整个周期，实时性强。

2.本实用新型以INA226数字电流分流监控器为功耗及电流的检测单元，可以对元件或电路的电流和功率进行实时、准确的检测；同时，设置了OLED液晶屏，可以将检测到的数据实时显示在0LED液晶屏上，便于人们直观及时的读取数据，了解电流状态及消耗功率，还可以对电路或设备进行过载保护。

3.本实用新型可以实时检测电流、电压和功率的大小，具备实时的液晶显示，并能以波形的形式直观的表现出电压、电流以及功率的变化，并在超出允许范围时启动过载保护，保护电路。

4.本实用新型可以实现电路或元器件上电即检测，在电路或元器件运行的整个周期中实现长时间不间断的实时检测和过载保护，可以应用在电路或元器件测试中，为其提供完整测试数据，有利于电路或元器件得到更加准确、完整的结果。同时还可以通过按键对被测电路或元器件不同运行时段的报警和过载电流的上下限值进行调整。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，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。

图1是本实用新型的实施例1的系统功能框图；

图2是本实用新型的实施例1的INA226数字电流分流监控器原理图；

图3是本实用新型的实施例1的单片机主控单元电路原理图；

图4是本实用新型的实施例1的继电器功耗保护电路原理图；

图5是本实用新型的实施例1的功能按键电路原理图；

图6是本实用新型的实施例1的INA226功耗检测流程图；

图7是本实用新型的实施例1的继电器功耗保护流程图；

图8是本实用新型的实施例1的功能按键操作流程图；

图9是本实用新型的实施例1的报警电路流程图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本实用新型设计了一种可以应用在各种需要功耗及电流检测的集成电路板的板载实时功耗检测与保护装置，该装置以INA226数字电流分流监控器为功耗及电流的检测单元，以STC15W201S单片机为核心微控制器，配合4针的1.5寸OLED液晶屏，组合成了板载实时功耗检测与保护装置；本实用新型可以有多种形式的报警功能，利用一个继电器实现对检测电路的过流保护，可以通过功能按键来改变该装置检测电路允许额定电流的上下限值；本本实用新型的各个部分都能与STC15W201S单片机相互联系，使该装置能对各个部分进行控制和管理。

本实用新型是将PCB电路板技术与和智能控制技术相结合，从而形成了一个基于集成电路的实时功耗和电流的检测与保护装置。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种板载功耗检测与保护装置；包括INA226数字电流分流监控器、STC15W201S单片机、OLED液晶屏、报警器、功能按键和继电器。

如图2所示，所述INA226数字电流分流监控器作为数据的检测与计算中心，负责整个装置的数据采集和计算，是板载功耗检测与保护装置的核心部件之一；所述INA226数字电流分流监控器原理图如图2所示。

INA226数字电流分流监控器有两个总线接口分别是I²C集成电路总线接口和SMBus系统管理总线接口，该器件监视分流压降和总线电源电压；可编程校准值、转换时间和取平均值功能与内部乘法器相结合，可实现电流值和功率值的直接读取。

在所述INA226数字电流分流监控器是需要独立供电的，供电电压为2.7V到5.5V，电源电流的典型值为330uA；INA226数字电流分流监控器可在0V到36V的共模总线电压范围内感测电流，且与电源电压无关；此外为了实现电源的旁通，还需要将一个0.1uf的陶瓷封装电容尽可能的靠近电源和接地引脚旁边。

所述INA226数字电流分流监控器的工作原理如下所述：

所述INA226数字电流分流监控器在总线上对分流电压和总线电压进行测量；在流经一个分流电阻器的负载电流上逐渐形成的电压生成了一个分流电压，这个电压是在VIN+和VIN-这两个引脚上进行测量；在所述INA226数字电流分流监控器的VBUS引脚上连接此分流电压还能同时对电源总线电压进行测量。

差分分流电压的测量需以VIN-引脚为基准点，而总线电压的测量基准点为接地；通过测量IN+和IN-之间的差分电压和VBUS上的总线电压，利用MFR_CALIBRATION指令设置校准寄存器缩放，返回值是通过缩放合适的最低有效位或PMBus直接方程估算的电流、电压、功率。

所述INA226数字电流分流监控器有持续模式和触发模式两种运行模式；当它的寄存器中的MODE被设定为‘111’时，所述INA226 数字电流分流监控器处于正常运行模式，它将顺序持续的换一个分流电压读数和一个总线电压读数。通过读得的分流电压读数计算出电流值，然后通过电流值来计算出功率值。

将计算出来的值存储在一个累加器中，重复进行测量/校准序列，直到达到配置寄存器中平均数集的数量；在每一个序列之后，测得的和计算所得值的现有集合被附加到之前采集到的值上；一旦所有这些平均计算完成，分流电压、总线电压、电流、和功率的最终值在相应的寄存器中进行更新并可被读取；这些值仍然保存在数据输出寄存器中，直到它们被下一个完全完成的转换结果所取代；对数据输出寄存器的读取并不会影响一个正在进行中的转换。

在测量完一个分流电压之后，基于校准寄存器内值的集合计算电流，此时如果校准寄存器内没有值被载入的，则存储的电流值为零；在测量完总线电压后，在之前测量计算出的电流值的基础上结合测得的总线电压值来计算出功率值；如果再之前没有校准寄存器值的载入，那么计算出来的功率值也为零；由于这些运算在系统的后台进行，所以并不会对总体的转换时间有任何影响；这些获得的电流和功率值被设定为中间值，并且将其存储在一个内部累加器内，并非相应的输出寄存器，在每次测取样本之后，都将重新计算新的电流和功率值；除了计算得到电流和功率值，测量得到的分流电压和总线电压也将被收集。当分流电压和总线电压的所有样本收集完毕，相应的电流和功率计算完成，这些参数累加的均值将被加载到相对应的输出寄存器中，并发送给系统控制部分中的STC15W201S单片机，STC15W201S单片机根据接收到的数据做出相应的变化。

如图3所示，所述STC15W201S单片机主要用于接收所述INA226 数字电流分流监控器输出寄存器中发送出来的数据，对数据进行分析比较，然后让其在液晶显示部分将电流功率数据实时显示出来；当单片机将检测到的数据和设定数值进行比较并发现检测到的电流或功率大于额定值时，液晶显示部分显示的数据不断闪烁，进行提醒，当单片机读取的电流到达电路或元器件的保护电流时，电路发出报警，这里的报警可以根据用户的需求有多种形式，比如语音报警，短信报警等，同时单片机给继电器发出信号，控制继电器断开被测电路或元器件。单片机主控单元电路原理图如图3所示。

所述STC15W201S单片机的一个重要作用是将从所述INA226数字电流分流监控器的输出数据寄存器中获得的数据转换成三条电流、电压和功率的实时波形，通过这种波形的形式显示在0LED液晶屏上能够更加直观的观察电流、电压和功率的实时变化，从而使使用者能更容易的分析被测电路，并且本实用新型具有很强的实时性和低延迟性。

在本实施例中，功耗检测装置由所述INA226数字电流分流监控器实现，过流保护部分则由所述STC15W201S单片机控制的继电器实现，将继电器中的常闭开关串接入被测电路，不会对被测电路的正常运行产生任何影响。

当所述STC15W201S单片机读取所述INA226数字电流分流监控器检测到的电流即将超过该电路的最大允许值时，单片机会在极短的时间内对继电器发出一个低电平信号，继电器接收到单片机的信号之后立刻响应将其常闭电路断开，从而实现对被测电路的过载保护；继电器功耗保护流程图如图7所示。

所述液晶实时显示部分可以实现OLED液晶的实时数据显示和实时波形显示，1.5寸OLED显示为黑底蓝字，分辨率为128*128，采用 IIC接口，其中在IIC通信中只需要时钟信号和数据信号，占用单片机资源少。

优选的，1.5寸OLED使用的驱动IC是SSD1306，具有内部生压功能，不需要再设计升压电路；本实施例中选用的OLED还具备自发光，不需要背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异的特性。

本实施例中的多功能报警电路有多种报警类型，在单片机接收到的电流参数大于设定的额定值时，液晶显示部分显示的数据会不断闪烁，进行提醒；当单片机读取的电流到达电路或元器件设定的保护电流时，电路发出报警，报警电路流程图如图9所示；单片机给继电器发出信号，控制继电器断开被测电路或元器件，这里的报警可以根据用户的需求有多种形式，比如语音报警，短信报警等。

如图8所示本实施例中功能按键用来改变或设定被测电路额定电流和保护电流，适应被测电路可能在不同运行阶段的测试中，额定电流或保护电流发生变化的情况，提高该装置的适用面；功能按键的具体设置和操作为：

S0是设置键，S1为数值增加键，S2位数值减少键；

当按下S0时，程序进入更改设置模式，电流数值显示不断闪烁；

当单片机检测到S0被按下一下时，这时可以通过操作S1、S2改变被测电路额定电流的的上下限；

当单片机检测到S0被按下两下时，这时可以通过操作S1、S2改变被测电路保护电流的上下限；

当设置完成后，5秒内未操作按键即可实现自动锁定；

最后，S0未按下时，按下S1、S2对设定数值不会发生更改。

本实用新型可以实现如下功能：INA226数字电流分流监控器对被测总线上的分流电压和总线电压进行测量；首先，被测电流在流经 INA226上的一个分流电阻器的负载电流上逐渐形成的电压并生成了一个分流电压，这个电压是在VIN+和VIN-这两个引脚上进行测量。同时在所述INA226数字电流分流监控器的VBUS引脚上连接此分流电压还能对电源总线电压进行测量，利用MFR_CALIBRATION指令设置校准寄存器缩放，返回值是通过缩放合适的最低有效位或PMBus直接方程估算的电流、电压、功率，并能把得到的电流、电压、功率的值放入所述INA226数字电流分流监控器的输出寄存器中；所述INA226 数字电流分流监控器检测流程图如图6所示。

STC15W201S单片机通过所述INA226数字电流分流监控器的输出寄存器获取所述INA226数字电流分流监控器检测到的数据，单片机对检测到的数据进行处理，使其能够实时显示在OLED液晶屏上，并能以波形的的形式将电流、电压和功耗的变化以波形的形式显示出来。

同时单片机对获取的数据与设置数据的上下限值进行比较，当被测电路的电流超过额定值时，液晶显示的数据及波形不断闪烁。当被测电流接近被测电路或元器件的最大可承载电流时，电路发出报警，这里的报警可以根据用户的需求有多种形式，比如语音报警，短信报警等，单片机给继电器发出信号，控制继电器断开被测电路或元器件。

与现有技术相比，本实用新型的重要意义在于：

本实用新型解决了集成电路板电流及功率检测时检测困难，准确度欠缺，缺少实时性，无法进行过载保护，检测设备昂贵，以及对微小电流的灵敏度不够等难题，通过将检测电路提前放入印刷电路板中，实现了占用面积小，成本低廉，同时基于板载之后，电流及功率的检测可以伴随着设备运行的整个过程，实时性强。

本实用新型可以实时检测电流、电压和功率的大小，具备实时的液晶显示，并能以波形的形式直观的表现出电压、电流以及功率的变化，并在超出允许范围时启动过载保护，保护电路。

本实用新型基于INA226的数字电流分流监控器具有业界最高精度，最大失调电压为10uV,最大增益误差为0.1％，该器件不但可以在低电流下实现更高精度，而且在更小的分流电阻器的加持下，对降低功耗具有重要意义。420uA的最大静态电流与2uA的最大关断电流可以支持更加高效的工作，即使在INA226数字电流分流监控器集成 ADC与电源多路复用器时，其功耗也比同类竞争产品的分立式解决方案低3.5％；同时，40dB共模抑制比(CMRR)与36V共模电压(CMV) 可在整个工作范围内确保变化极小或根本无变化的失调电压，从而可简化误差分析，从而大幅度提高测量精度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，包括：

检测单元，内设电流及功耗检测电路；

保护单元，内设继电器；所述继电器的开关串接入被测电路；

控制单元，分别与所述检测单元和保护单元相连接。

2.如权利要求1所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元采用液晶显示屏，所述液晶显示屏上设置有功能按键。

3.如权利要求2所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，所述功能按键包括设置键、数值增加键和数值减少键。

4.如权利要求2所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，所述液晶显示屏采用4针的分辨率为128*128的1.5寸OLED液晶屏。

5.如权利要求1所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，还包括报警单元，所述报警单元采用声光报警器。

6.如权利要求1所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，所述电流及功耗检测电路采用INA226数字电流分流监控器。

7.如权利要求6所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，所述INA226数字电流分流监控器包括I²C集成电路总线接口和SMBus系统管理总线接口。

8.如权利要求1所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，所述控制单元内设控制器，所述控制器采用STC15W201S单片机。

9.如权利要求1所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，所述继电器采用常闭继电器。

10.如权利要求9所述的一种板载功耗检测与保护装置，其特征在于，所述常闭继电器的常闭触点开关与所述检测电路相连接。

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