CN216599110U - 一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路 - Google Patents

一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，该主备电切换电路包括：主电输入模块、ACC输入模块、微控制单元MCU模块和其余功能模块；主电输入模块用于通过带有升压型DC‑DC转换器的锂电池充放电电路，向MCU模块提供预设稳定输入电压；ACC输入模块用于控制MCU模块向其余功能模块输出的开关使能信号，基于开关使能信号使主电输入模块与其余功能模块之间的开关闭合，控制其余功能模块是否处于工作状态。本实用新型通过在现有单节锂电池备电方案中增加升压DC‑DC转换器，并更改上电启动流程，从而有效避免了由于锂电池欠压而导致MCU反复重启的问题，提高了电路稳定性，且实现成本较低。

Description

一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路
技术领域
本实用新型涉及车载供电技术领域，尤其涉及一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路。
背景技术
在车载终端中，一般内置有备用电池，该内置备用电池一般用于车辆主电突然掉电或欠压时，能支持终端记录上报掉电瞬间及掉电后一段时间内车辆状态数据的供电需求，方便后续对事故现场的还原及分析。车载终端在不同工作状态下的工作电流大小是不同的，一般以ACC(Accessory)作为开关信号，当ACC ON时，终端处于正常工作情况下，平均电流约200mA左右，最大电流可能达到2～3A，而ACC OFF时，终端处于休眠时，工作电流一般要求≤3mA。
主电供电方案如图1所示，采用一个MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)供电，主电输入信号通过DC-DC转换器转为5V，然后通过LDO(Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器)转为3.3V给MCU供电，MCU可以通过AD检测主电，通过IO口检测ACC输入，同时也可以通过输出IO控制终端内其余IC的电源。当ACC OFF时，将图1中开关断开，对其余功耗比较高的芯片进行断电操作，且该MCU自身也处于低功耗甚至休眠状态，从而达到满足休眠电流≤3mA的要求；当ACC ON时，MCU控制将开关闭合，终端内所有芯片的都处于正常工作状态。
此外，还有单节锂电池备电方案，如图2所示，在图1主体电源框架保持不变的情况下，增加锂电池充放电电路、一路AD检测电路。单节锂电池充满电情况下为4.2V，在主电没掉电时，DC-DC输出电压为5V，因此D1不会导通，锂电池不工作。当主电掉电时，5V电源开始下降到低于锂电池电压时，二极管D1导通，锂电池开始供电。当主电恢复供电时，由于DC-DC会将5V电源的电压提高到5V，当5V电源电压高于锂电池电压时，二极管D1反向截至，锂电池停止工作。因此该方案可以实现主电24V与内置单节锂电池电源自动切换的需求。
上述现有技术存在如下技术问题：
(1)该方案要求锂电池最低工作电压3.7V，但锂电池可以放电放到3.0V。这样锂电池大量电荷都没释放出来。存在着能量的浪费。由于二极管D1的压降一般为0.3V左右，而LDO的最小dropout压降为0.1V左右。如果需要MCU(或其他3.3V工作的芯片)保持在3.3V的话。那么锂电池工作的最低电压为3.7V左右。而对于锂电池而言，可以放电到3.0V左右。
(2)当锂电池电压低于3.7V后，MCU检测锂电池的电压会出现错误。MCU的电源达不到3.3V。而MCU的ADC参考电压一般是3.3V。当ADC参考电压低于3.3V时，MCU通过AD采集锂电池电压的值也会出现错误，因此MCU无法判定锂电池是否真正低于3.7V。
(3)当锂电池欠压(约3.0V左右)时，会出现MCU反复复位重启的情况，直到锂电池的完全放光为止。在终端反复重启时，可能会造成存储芯片(EEPROM、FRAM或Flash等)误写的情况，导致终端工作状态异常。
这里的锂电池电压也是随着输出电流的变化而变化的，当输出电流增大时，锂电池也会随之下降，低功耗MCU的工作电流是动态变化的，每次MCU复位重启后，MCU的电流非常小，随着MCU开启内部PLL(Phase Locked Loop，锁相环)，提高主频和开启外设后，MCU的电流会急剧增大。因此，锂电池欠压时，MCU一旦第一次发生复位，MCU的电流会减小，锂电池的输出电流也减小，锂电池的电压略微升高，MCU的电压略微升高，从复位中起来。当MCU提高主频、开启外设后，MCU的电流又增大，锂电池输出电流增大，锂电池电压跌落，而锂电池电压跌落，导致MCU的电压跌落，MCU的电压跌落导致MCU复位重启，如此这样周而复始的反复重启，直到把锂电池中的电荷消耗光为止，如图3所示的锂电池欠压导致MCU反复重启的示意图。
实用新型内容
本实用新型提供一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，用于解决现有技术中采用单节锂电池提供车载备用电时由于锂电池欠压导致MCU反复重启的问题。
本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，包括：
主电输入模块、ACC输入模块、微控制单元MCU模块和其余功能模块，所述MCU模块的输入端分别与所述主电输入模块的输出端、以及所述ACC输入模块的输出端相连接，所述主电输入模块的输出端与所述其余功能模块的输入端相连接，所述MCU模块的输出端与所述其余功能模块的输入端相连接；
所述主电输入模块用于通过带有升压型DC-DC转换器的锂电池充放电电路，向所述MCU模块提供预设稳定输入电压；
所述ACC输入模块用于控制所述MCU模块向所述其余功能模块输出的开关使能信号，基于所述开关使能信号使所述主电输入模块与所述其余功能模块之间的开关闭合，控制所述其余功能模块是否处于工作状态。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述主电输入模块包括主电输入信号、锂电池充放电电路和AD检测电路；
所述锂电池充放电电路和所述AD检测电路并联，所述主电输入信号分别与所述锂电池充放电电路的输入端和所述AD检测电路的输入端相连接。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述锂电池充放电电路包括DC-DC转换器、低压差线性稳压器LDO、锂电池充电芯片、二极管、升压型DC-DC转换器和单节锂电池；
所述DC-DC转换器的第一端与所述主电输入信号相连接，所述DC-DC转换器的第二端与所述LDO的第一端相连接，所述LDO的第二端与所述MCU模块相连接；
所述锂电池充电芯片的第一端分别与所述LDO的第一端、所述二极管的第一端相连接，所述锂电池充电芯片的第二端与所述MCU模块相连接，所述锂电池充电芯片的第三端分别与所述升压型DC-DC转换器的第二端、所述单节锂电池的第一端相连接，所述单节锂电池的第二端接地；
所述二极管的第二端与所述升压型DC-DC转换器的第一端相连接。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述AD检测电路包括第三电阻和第四电阻；
所述第三电阻的第一端与所述单节锂电池的第一端相连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第四电阻的第一端、所述MCU模块相连接，所述第四电阻的第二端接地。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述AD检测电路还包括第一电阻和第二电阻；
所述第一电阻的第一端与所述主电输入信号相连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第二电阻的第一端、所述MCU模块相连接，所述第二电阻的第二端接地。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述ACC输入模块包括ACC输入信号和ACC输入检测电路；
所述ACC输入信号、所述ACC输入检测电路和所述MCU模块顺次连接。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述MCU模块包括多个输入端口和多个输出端口，其中，所述多个输入端口包括VDD、AD1、AD2和IO1，所述多个输出端口包括IO2和IO3。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述VDD和LDO的第二端相连接，所述AD1分别和第一电阻的第二端、第二电阻的第一端相连接，所述AD2分别和第三电阻的第二端、第四电阻的第一端相连接，所述IO1和所述ACC输入检测电路相连接。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述IO2和所述其余功能模块的输入端相连接，所述IO3和锂电池充电芯片的使能脚EN相连接。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述其余功能模块包括MCU和视频输入输出芯片。
本实用新型提供的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，通过在现有单节锂电池备电方案中增加升压DC-DC转换器，并更改上电启动流程，从而有效避免了由于锂电池欠压而导致MCU反复重启的问题，提高了电路稳定性，且实现成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1为现有技术提供的车载终端主电供电电源电路结构图；
图2为现有技术提供的车载终端单节锂电池备电电路结构图；
图3为现有技术提供的锂电池欠压导致MCU反复重启原理示意图；
图4为本实用新型提供的车载终端单节锂电池升压备电整体结构图；
图5为本实用新型提供的车载终端单节锂电池升压备电具体结构图；
图6为本实用新型提供的MCU复位软件启动流程图。
附图标记：
10：主电输入模块； 20：ACC输入模块； 30：MCU模块；
40：其余功能模块； 1：主电输入信号； 2：ACC输入信号；
3：开关； 4：ACC输入检测电路； 5：其余芯片；
6：MCU； 7：单节锂电池； U1：DC-DC转换器
U2：LDO； U3：锂电池充电芯片； U4：升压DC-DC转换器；
D1：二极管； R1：第一电阻； R2：第二电阻；
R3：第三电阻； R4：第四电阻。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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。
针对现有技术中的单节锂电池在车载终端中供电存在的问题，本实用新型通过在现有的硬件基础上增加升压DC-DC转换器，并从软件上对上电启动流程进行优化，提出新的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，如图4所示，包括：
主电输入模块10、钥匙电ACC输入模块20、微控制单元MCU模块30和其余功能模块40，所述MCU模块30的输入端分别与所述主电输入模块10的输出端、以及所述ACC输入模块20的输出端相连接，所述主电输入模块10的输出端与所述其余功能模块40的输入端相连接，所述MCU模块30的输出端与所述其余功能模块40的输入端相连接；
所述主电输入模块10用于通过带有升压型DC-DC转换器的锂电池充放电电路，向所述MCU模块30提供预设稳定输入电压；
所述ACC输入模块20用于控制所述MCU模块30向所述其余功能模块40输出的开关使能信号，基于所述开关使能信号使所述主电输入模块10与所述其余功能模块40之间的开关闭合，控制所述其余功能模块40是否处于工作状态。
结合现有技术中的供电电压存在的问题，本实用新型通过在锂电池给5V供电的回路中增加升压DC-DC转换器，使升压DC-DC转换器的电压输出比5V电压低，是为了在主电运行时关断二极管D1，不从锂电池取电，这样锂电的电压即使低于3.7V，升压DC-DC转换器的输出电压也会维持在一定电压，不随锂电池电压而波动，保证MCU的电源为3.3V，MCU采集锂电池的电压也保证是准确的。
此外，针对锂电池电压欠压时，反复重启的问题，软件的上电启动流程也需要修改。在上电启动时，对主电电压和锂电池电压进行判断，根据不同电压值决定是否需要给MCU的PLL和外设上电，从而达到避免反复重启的目的。
本实用新型通过在现有单节锂电池备电方案中增加升压DC-DC转换器，并更改上电启动流程，从而有效避免了由于锂电池欠压而导致MCU反复重启的问题，提高了电路稳定性，且实现成本较低。
基于上述实施例，所述主电输入模块包括主电输入信号、锂电池充放电电路和AD检测电路；
所述锂电池充放电电路和所述AD检测电路并联，所述主电输入信号分别与所述锂电池充放电电路的输入端和所述AD检测电路的输入端相连接。
具体地，在主电输入一侧，将主电输入信号同步输入给并联的锂电池充放电电路和AD检测电路，锂电池充放电电路的输出端和AD检测电路的输出端均和MCU模块相连接。
此处的整体结构和现有技术是相同的，不同的是在锂电池充放电电路增加升压DC-DC转换器，以解决现有技术中电压不稳定的问题。
基于上述任一实施例，如图5所示，所述锂电池充放电电路包括DC-DC转换器U1、低压差线性稳压器LDO U2、锂电池充电芯片U3、二极管D1、升压型DC-DC转换器U4和单节锂电池7；
所述DC-DC转换器U1的第一端与所述主电输入信号1相连接，所述DC-DC转换器U1的第二端与所述LDO U2的第一端相连接，所述LDO U 2的第二端与所述MCU模块30相连接；
所述锂电池充电芯片U3的第一端分别与所述LDO U2的第一端、所述二极管D1的第一端相连接，所述锂电池充电芯片U 3的第二端与所述MCU模块30相连接，所述锂电池充电芯片U 3的第三端分别与所述升压型DC-DC转换器U4的第二端、所述单节锂电池7的第一端相连接，所述单节锂电池7的第二端接地；
所述二极管D1的第二端与所述升压型DC-DC转换器U4的第一端相连接。
所述AD检测电路包括第三电阻R3和第四电阻R4；
所述第三电阻R3的第一端与所述单节锂电池7的第一端相连接，所述第三电阻R3的第二端分别与所述第四电阻R4的第一端、所述MCU模块30相连接，所述第四电阻R4的第二端接地。
所述AD检测电路还包括第一电阻R1和第二电阻R2；
所述第一电阻R1的第一端与所述主电输入信号1相连接，所述第一电阻R1的第二端分别与所述第二电阻R2的第一端、所述MCU模块30相连接，所述第二电阻R2的第二端接地。
根据本实用新型提供的一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，所述ACC输入模块20包括ACC输入信号3和ACC输入检测电路4；
所述ACC输入信号2、所述ACC输入检测电路和所述MCU模块30顺次连接。
所述MCU模块30包括多个输入端口和多个输出端口，其中，所述多个输入端口包括VDD、AD1、AD2和IO1，所述多个输出端口包括IO2和IO3。
所述VDD和LDO U2的第二端相连接，所述AD1分别和第一电阻R1的第二端、第二电阻R2的第一端相连接，所述AD2分别和第三电阻R3的第二端、第四电阻R4的第一端相连接，所述IO1和所述ACC输入检测电路4相连接。
所述IO2和所述其余功能模块40的输入端相连接，所述IO3和锂电池充电芯片U3的使能脚EN相连接，通过该使能脚EN实现高电平使能，实行对锂电池的充电。
所述其余功能模块40包括MCU和视频输入输出芯片，此处不作限制，根据具体功能进行选择配置。
需要说明的是，在锂电池给5V供电的回路中增加升压DC-DC，升压DC-DC的电压输出比5V电压低，这样锂电的电压即使低于3.7V。升压DC-DC的输出电压也会维持在一定电压，保证MCU的电源为3.3V。MCU采集锂电池的电压也保证是准确的。
除此之外，为了解决锂电池电压欠压(约3.0V左右)时，出现MCU的软件反复重启的问题。MCU的上电时序需要修改，上电复位后如果主电掉电，且锂电池电压欠压的话，则绝不开启PLL，不开启外设，不读写存储器件。MCU一直保持低功耗状态。这样防止MCU反复重启，以及反复重启导致的存储器件误写的情况。
图6为MCU软件启动流程图，在开启MCU内置PLL及外设前，先对主电及锂电池电压进行检测。如果主电掉电且锂电池欠压情况下，则禁止MCU启动，防止锂电池欠压时出现MCU反复重启的情况。
本实用新型通过在现有单节锂电池备电方案中增加升压DC-DC转换器，并更改上电启动流程，从而有效避免了由于锂电池欠压而导致MCU反复重启的问题，提高了电路稳定性，且实现成本较低。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，包括：主电输入模块、ACC输入模块、微控制单元MCU模块和其余功能模块，所述MCU模块的输入端分别与所述主电输入模块的输出端、以及所述ACC输入模块的输出端相连接，所述主电输入模块的输出端与所述其余功能模块的输入端相连接，所述MCU模块的输出端与所述其余功能模块的输入端相连接；
所述主电输入模块用于通过带有升压型DC-DC转换器的锂电池充放电电路，向所述MCU模块提供预设稳定输入电压；
所述ACC输入模块用于控制所述MCU模块向所述其余功能模块输出的开关使能信号，基于所述开关使能信号使所述主电输入模块与所述其余功能模块之间的开关闭合，控制所述其余功能模块是否处于工作状态。
2.根据权利要求1所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述主电输入模块包括主电输入信号、锂电池充放电电路和AD检测电路；
所述锂电池充放电电路和所述AD检测电路并联，所述主电输入信号分别与所述锂电池充放电电路的输入端和所述AD检测电路的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述锂电池充放电电路包括DC-DC转换器、低压差线性稳压器LDO、锂电池充电芯片、二极管、升压型DC-DC转换器和单节锂电池；
所述DC-DC转换器的第一端与所述主电输入信号相连接，所述DC-DC转换器的第二端与所述LDO的第一端相连接，所述LDO的第二端与所述MCU模块相连接；
所述锂电池充电芯片的第一端分别与所述LDO的第一端、所述二极管的第一端相连接，所述锂电池充电芯片的第二端与所述MCU模块相连接，所述锂电池充电芯片的第三端分别与所述升压型DC-DC转换器的第二端、所述单节锂电池的第一端相连接，所述单节锂电池的第二端接地；
所述二极管的第二端与所述升压型DC-DC转换器的第一端相连接。
4.根据权利要求3所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述AD检测电路包括第三电阻和第四电阻；
所述第三电阻的第一端与所述单节锂电池的第一端相连接，所述第三电阻的第二端分别与所述第四电阻的第一端、所述MCU模块相连接，所述第四电阻的第二端接地。
5.根据权利要求2所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述AD检测电路还包括第一电阻和第二电阻；
所述第一电阻的第一端与所述主电输入信号相连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第二电阻的第一端、所述MCU模块相连接，所述第二电阻的第二端接地。
6.根据权利要求1所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述ACC输入模块包括ACC输入信号和ACC输入检测电路；
所述ACC输入信号、所述ACC输入检测电路和所述MCU模块顺次连接。
7.根据权利要求1所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述MCU模块包括多个输入端口和多个输出端口，其中，所述多个输入端口包括VDD、AD1、AD2和IO1，所述多个输出端口包括IO2和IO3。
8.根据权利要求7所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述VDD和LDO的第二端相连接，所述AD1分别和第一电阻的第二端、第二电阻的第一端相连接，所述AD2分别和第三电阻的第二端、第四电阻的第一端相连接，所述IO1和ACC输入检测电路相连接。
9.根据权利要求7所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述IO2和所述其余功能模块的输入端相连接，所述IO3和锂电池充电芯片的使能脚EN相连接。
10.根据权利要求1所述的基于单节锂电池升压的主备电切换电路，其特征在于，所述其余功能模块包括MCU和视频输入输出芯片。
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