專利名稱：用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的電表管理平臺采用的芯片為單片機M16C/62P，供電系統(tǒng)比較簡單，只有低 功耗抄表模式。該系統(tǒng)一般由弱電主供電回路、低功耗喚醒電路、電池供電回路、掉電存 數(shù)供電電路、電池監(jiān)控電路及組成，其中弱電主供電回路只有一路電源轉(zhuǎn)換，由LDO芯片 tps76933將5V轉(zhuǎn)3. 3V。低功耗喚醒電路只提供電平觸發(fā)，給單片機M16C/62P —個中斷信 號，不需要硬件電路切換。電池供電回路電池供電+6V與外部電路供電+5V之間的切換采 用多路電路三極管切換，如液晶模塊供電、紅外供電、內(nèi)卡供電、CPU供電都分別有相應(yīng)的 切換電路。掉電存數(shù)供電電路25V轉(zhuǎn)5V電源芯片原采用LDO電源芯片。電源監(jiān)控電路 用一路比較電路監(jiān)控25V(相當于我們電表的12V)是否掉電，給單片機M16C/62P —個電平 信號；電池監(jiān)控電路采用比較器LM239，輸出電平送至單片機M16C/62P —個電平信號。從 現(xiàn)有的電能表的電源管理供電系統(tǒng)的構(gòu)成可以看出其供電模式少，沒有低功耗睡眠模式， 無法滿足高性能的芯片應(yīng)用于電子式電能表。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)既能 使高性能的芯片應(yīng)用于電子式電能表，又能使電子式電能表在各供電工作模式下穩(wěn)定工 作。本發(fā)明提供的這種用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，包括弱電主供電回 路、電源監(jiān)控電路、掉電存數(shù)供電電路、電池供電電路、低功耗喚醒電路，還包括主控芯片低 功耗管理電路，所述低功耗喚醒電路與主控芯片低功耗管理電路相連，主控芯片低功耗管 理電路與所述弱電主供電回路相連，掉電存數(shù)供電電路及電池供電電路與弱電主供電回路 連接，弱電主供電回路包括電源管理芯片、低壓差電源芯片和主電源芯片，其中電源管理芯 片采用多路輸出DC/DC高效電源管理芯片，主電源芯片采用DC/DC高效電源芯片，掉電存數(shù) 供電電路包括儲能電容和電源芯片，該電源芯片采用DC/DC高效電源芯片，電源監(jiān)控電路 通過電壓檢測電路檢測外部供電系統(tǒng)和掉電存數(shù)供電電路，在外部供電系統(tǒng)失效和掉電存 數(shù)供電電路失效時切換至電池供電電路，最終使弱電主供電回路始終有多路電源輸出。所述DC/DC高效電源管理芯片為TPS650240RHBT、低壓差電源芯片采用 TPS73250DBVR,主電源芯片采用DC/DC高效電源芯片LM2830X。所述主控芯片低功耗管理電 路利用ATMEL公司的AT91SAM9G20芯片集成的低功耗管理電路。掉電存數(shù)供電電路中儲能 電容的充電電壓采用12V，電源芯片采用DC/DC高效電源芯片將電壓轉(zhuǎn)換為5. 2V短時間給 電子式電能表供電。低功耗喚醒電路采用按鍵或激光或采用外部供電系統(tǒng)上電喚醒電子式 電能表。電源芯片采用DC/DC高效電源芯片LM2736X。本發(fā)明由于弱電主供電回路中的電源管理芯片采用的是多路輸出的DC/DC高效電源管理芯片，并且主電源芯片和掉電電路的電源芯片采用的是DC/DC高效電源芯片，力口 之電源監(jiān)控電路對外部供電系統(tǒng)、掉電存數(shù)供電電路和電池供電電路的監(jiān)控，最終使弱電 主供電回路始終有多路電源有效輸出。多路電源的輸出使得電子式電能表的主控芯片能采 用高性能的芯片，加快了電子式電能表向智能電表邁進的步伐。本發(fā)明主控芯片低功耗管 理電路的增加，不僅使供電模式增加了睡眠模式，而且通過嚴密的監(jiān)控電路控制，使得電子 式電能表在各種供電工作模式下自身供電系統(tǒng)能高效安全穩(wěn)定地工作。本發(fā)明能滿足電 子式電能表在外部供電系統(tǒng)失效時由電池供電實現(xiàn)抄表功能，能遠程上報電池電量不足情 況，能保存外部供電系統(tǒng)失效時的實時參數(shù)和負荷數(shù)據(jù)，確保電子式電能表計量數(shù)據(jù)的安 全可靠性。各電路在設(shè)計過程中講求邏輯縝密、配合緊密，其中最關(guān)鍵部分為軟硬資源的有 機結(jié)合、合理控制和巧妙運用，最終形成穩(wěn)定可靠的電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的工作原理圖；圖3是本發(fā)明的掉電存數(shù)電路和主供電回路中強電與弱電、AC/DC的轉(zhuǎn)換電路圖4是本發(fā)明的主供電回路中管理單元的供電電路和電源監(jiān)控電路中5. 2V掉電 檢測、電池切換電路；圖5是本發(fā)明的電源監(jiān)控電路中12V上電與掉電檢測電路；圖6是本發(fā)明的低功耗喚醒電路；圖7是本發(fā)明的主供電回路中計量單元的供電回路和電源監(jiān)控電路中計量單元 供電控制電路；圖8是本發(fā)明的主控芯片低功耗管理電路；圖9是本發(fā)明的電池供電電路中實時時鐘電池供電電路和電源監(jiān)控電路中實時 時鐘電池電量檢測電路。
具體實施例方式由圖1可知，本發(fā)明公開的這種用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)包括主供 電回路，弱電主供電回路、電源監(jiān)控電路、掉電存數(shù)供電電路、電池供電電路、低功耗喚醒電 路以及主控芯片低功耗管理電路，其中主供電回路為電源監(jiān)控電路、弱電主供電回路和掉 電存數(shù)電路提供電源，弱電主供電回路是本系統(tǒng)的核心，它與掉電存數(shù)電路、電池供電電 路、主控芯片低功耗管理電路相連，掉電存數(shù)電路在外部供電系統(tǒng)失效時給弱電主供電回 路提供瞬時供電，確保電子式電能表的重要參數(shù)和數(shù)據(jù)不丟失，電池供電電路作為一種備 份電源，在外部供電系統(tǒng)和掉電存數(shù)電路均失效的情況下給弱電主供電回路提供暫時供 電，滿足電子式電能表特殊重要電路不掉電，實現(xiàn)外部供電失效時仍具備抄表功能，同時也 保證實時時鐘的準確性，提高了電子式電能表計量數(shù)據(jù)的安全可靠性，弱電主供電回路與 主控芯片低功耗管理電路相連，為主控芯片低功耗管理電路提供多路穩(wěn)定工作電壓，電源 監(jiān)控電路與主供電回路、電池供電電路相連，通過電壓檢測電路檢測外部供電系統(tǒng)和掉電 存數(shù)供電電路，在外部供電系統(tǒng)失效和掉電存數(shù)供電電路失效時切換至電池供電電路，最 終使弱電主供電回路始終有多路電源輸出，低功耗喚醒電路與主控芯片低功耗管理電路相連，為主控芯片低功耗管理電路提供系統(tǒng)工作模式切換(由SLEEP工作模式切換到抄表工 作模式)的外部控制信號輸入端口。 由圖2可知，主供電回路是外部供電系統(tǒng)正常工作時的電子式電能表的供電回 路，主供電回路主要由外部供電系統(tǒng)、濾波整流電路、開關(guān)電源、變壓器等組成，其中開關(guān)電 源采用單端反激式開關(guān)電源，由外部供電系統(tǒng)提供220V(輔助電源供電)或57. 5V(PT供 電)，經(jīng)由整流、濾波、開關(guān)電源、變壓器處理后，實現(xiàn)強電與弱電、AC/DC的轉(zhuǎn)換，生成12V和 5. 2V，12V用于給掉電存數(shù)電路中的儲能電容充電，5. 2V為電源管理芯片TPS650240RHBT、 低壓差芯片TPS73250DBVR、主電源芯片LM2830X提供工作電壓(參見圖3)。掉電存數(shù)供電 電路是一種短時供電電路，由12V儲能電容和DC/DC電源芯片LM2736X組成，主供電回路對 12V儲能電容充電，當主供電回路出現(xiàn)供電異常時，12V充電電容放電，通過DC/DC電源芯片 L M2736X將12V高效轉(zhuǎn)換為5. 2V，給系統(tǒng)瞬時供電，具體電路見圖3，該電路具有很多優(yōu)點， 比如既使電池供電無效時，也能確保管理平臺實時保存電能表的重要參數(shù)和數(shù)據(jù)，并記錄 掉電事件和事故發(fā)生時外部供電電路的狀態(tài)，當外部供電系統(tǒng)重新上電時，電能表上報掉 電事件，同時上傳掉電時的實時數(shù)據(jù)。該供電電路采用高性能電源芯片LM2736X，使得掉電 存數(shù)時間延長至最少2S，極大的提高了數(shù)字式電能表數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。弱電主供電回路由電 源管理芯片TPS650240RHBT、主電源芯片LM2830X、低壓差電源芯片TPS73250DBVR組成，電 源管理芯片為主控芯片提供多路輸入電壓，主電源芯片和低壓差電源芯片為主控芯片中的 計量單元提供輸入電壓，其中電源管理芯片的三個使能端El，E2，E3與主控芯片的nSHDW 腳(低電平有效)相連，主電源芯片和低壓差電源芯片的使能端EN與主控芯片的GPIO 口 相連，從而確保主控芯片對弱電主供電回路的調(diào)節(jié)和控制，合理分配系統(tǒng)電源，提高電源利 用率。電源監(jiān)控電路由5V掉電檢測電路(見圖4)、12V掉電檢測電路(見圖5)以及電池 電量檢測電路組成，是軟件與硬件結(jié)合的樞紐，12V掉電檢測，指示外部供電系統(tǒng)已失效，通 知ARM管理平臺做相關(guān)掉電處理，此時管理平臺關(guān)斷計量單元供電系統(tǒng)，具體電路見圖5和 圖7;5. 2V掉電檢測，指示儲能電容的電量耗盡，此時通過開關(guān)管自動切換至系統(tǒng)主電池供 電，具體切換電路見圖4，開關(guān)管采用了導(dǎo)通低壓差的MOSFET管；電池電量檢測，具體電路 見圖4和圖9，主電池電壓通過ARM的AD采樣檢測，系統(tǒng)實時時鐘芯片RTC的電池電量通 過電壓比較電路檢測，前者獲得的數(shù)據(jù)為模擬量，后者獲得的數(shù)據(jù)為數(shù)字量，故前者通過連 續(xù)形式顯示電量信息，而后者只能通知客戶當前電量是高于還是低于某個電壓值，具體設(shè) 計值根據(jù)芯片的最低工作電壓確定。此供電邏輯既充分利用儲能電容的能量，又節(jié)省電池 電量，同時還實現(xiàn)各電源的無縫切換，使弱電主供電回路始終有多路電源輸出，是一種科學(xué) 合理的監(jiān)控模式。電池供電電路包括系統(tǒng)主電池供電電路和系統(tǒng)實時時鐘芯片RTC電池供 電電路，是一種應(yīng)急供電系統(tǒng)，具體電路見圖4，當外部供電系統(tǒng)失效時，掉電存數(shù)供電電路 只能維持1. 2S的時間，如果此時要求管理平臺上傳信息和數(shù)據(jù)，則需要備份電池給系統(tǒng)供 電，當管理平臺與上位機無業(yè)務(wù)時，系統(tǒng)進入Sleep模式，以延長備份電池的使用壽命。系 統(tǒng)實時時鐘必須保證準確可靠，芯片需要長時間供電，故實時時鐘芯片配備電池，芯片內(nèi)實 現(xiàn)主電源供電和電池供電的切換，并且為主電源供電優(yōu)先，有效延長電池的使用壽命。根據(jù) 電源監(jiān)控電路獲得的監(jiān)控數(shù)據(jù)，管理平臺將電池當前狀態(tài)實時顯示在液晶屏上，同時上傳 給上位機，從而避免系統(tǒng)由于電池電量不足而掉電，進一步保障系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。主控芯 片低功耗管理電路是ARM內(nèi)嵌的Sleep控制電路，對外控制引腳為nSHDN和nWAKEUP，具體電路見圖4和圖8。nSHDN腳為低電平有效的輸出腳，通過三極管反向后連接電源管理芯片 TPS650240RHBT的使能腳。為了增強該腳的抗干擾能力，實際電路設(shè)計中增加了一級驅(qū)動。 ARM主控芯片根據(jù)合理邏輯控制電源管理芯片TPS650240RHBT，關(guān)斷主電源的輸出，使系統(tǒng) 進入Sle印模式。nWAKEUP腳為低電平有效的輸入腳，當nWAKEUP由于按鍵喚醒電路、激光喚 醒電路、上電喚醒電路而置低時，nSHDN腳釋放，系統(tǒng)主電源打開，管理平臺恢復(fù)正常工作， 此時使能TPS73250DBVR、LM2830X，打開計量單元供電電源。低功耗喚醒電路包括按鍵喚醒 電路、激光喚醒電路、上電喚醒電路，具體電路見圖5和圖6。按鍵喚醒電路通過電能表面板 按鍵將nWAKEUP腳置低，觸發(fā)主控芯片低功耗管理電路的喚醒電路工作，nSHDN腳被釋放而 置高，使能電源管理芯片TPS650240RHBT，系統(tǒng)主電源恢復(fù)對管理平臺的供電。同樣，激光喚 醒電路、上電喚醒電路的喚醒原理類似。激光喚醒電路主要是通過操作激光筆來導(dǎo)通光敏 二極管，電路通過三極管反向后控制nWAKEUP腳置低。上電喚醒電路巧妙地通過穩(wěn)壓管鉗 位穩(wěn)壓，直接采用電阻網(wǎng)絡(luò)采樣12V電源，采樣信號經(jīng)三極管反向后控制nWAKEUP腳置低， 該電路滿足電子式電能表在外部供電系統(tǒng)恢復(fù)正常時從Sleep模式中喚醒，進入正常工作 模式。 根據(jù)本發(fā)明公開的這種電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)的工作特點，將其工作 狀態(tài)分為四種工作模式，即正常供電模式，掉電存數(shù)供電模式，低功耗抄表模式和低功耗睡 眠模式。正常供電模式是指外部供電系統(tǒng)正常工作時電子式電能表的供電狀態(tài)；掉電存數(shù) 模式是指外部供電系統(tǒng)失效而儲能電容還能正常供電的電子式電能表的供電狀態(tài)；低功耗 抄表模式是指在外部供電系統(tǒng)和掉電存數(shù)供電電路均失效的情況下，電子式電能表的管理 平臺由系統(tǒng)主電池供電的供電狀態(tài)；低功耗睡眠模式是指電子式電能表只給主控芯片集成 的低功耗管理電路以及喚醒電路供電，該模式通過按鍵、激光和外部供電系統(tǒng)上電使電子 式電能表被喚醒而進入其它工作模式。本發(fā)明公開的這種電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)具體工作方式如下當主供電回路供電正常時，即正常供電模式，掉電存數(shù)電路中的儲能電容保持充 電，此時電池供電電路沒有啟用，電源監(jiān)控電路開啟，對主供電回路、掉電存數(shù)供電電路以 及電池電量進行實時監(jiān)控，并上報給管理平臺，電路工作狀態(tài)與主控芯片監(jiān)控狀態(tài)保持同 步。當主供電回路供電出現(xiàn)異常時，即掉電存數(shù)供電模式，電源監(jiān)控電路檢測到12V掉電 信號，觸發(fā)主控芯片的GPIO 口電平變換，通知管理平臺由GPIO 口關(guān)斷TPS73250DBVR和 LM2830X，掉電存數(shù)供電電路中的儲能電容放電，通過電源芯片LM2736X將12V電壓轉(zhuǎn)換為 5. 2V電壓給系統(tǒng)暫時供電(約能維持2秒)，以防主供電回路出現(xiàn)異常時給系統(tǒng)瞬時供電， 確保管理平臺實時保存電能表的重要參數(shù)和數(shù)據(jù)，并記錄掉電事件和事故發(fā)生時外部供電 電路的狀態(tài)，掉電存數(shù)供電電路失效后(儲能電容放電完畢)，系統(tǒng)進入低功耗抄表模式， 電子式電能表自身電源通過開關(guān)管自動切換至主電池供電，同時電源監(jiān)控電路檢測電池電 量，通過主控芯片將電量實時顯示并上報電量，當管理平臺與上位機無業(yè)務(wù)時，主控芯片內(nèi) 集成的低功耗管理電路被觸發(fā)，電子式電能表只給主控芯片集成的低功耗管理電路以及喚 醒電路供電，系統(tǒng)進入低功耗睡眠模式，以延長備份電池的使用壽命。當主供電回路恢復(fù)對 系統(tǒng)供電時，nWAKEUP由于按鍵喚醒電路、激光喚醒電路、上電喚醒電路而置低，nSHDN腳釋 放，系統(tǒng)使能電源管理芯片TPS650240RHBT，同時也使能低壓差電源TPS73250DBVR、主電源 芯片LM2830X，打開計量單元供電電源，管理平臺恢復(fù)正常工作，實時上報系統(tǒng)掉電時電能表的重要參數(shù)和數(shù)據(jù)，以及掉電事件和事故發(fā)生時外部供電電路的狀態(tài)給上位機，系統(tǒng)進入正常供電模式。
權(quán)利要求
一種用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，包括弱電主供電回路、電源監(jiān)控電路、掉電存數(shù)供電電路、電池供電電路、低功耗喚醒電路，其特征在于還包括主控芯片低功耗管理電路，所述低功耗喚醒電路與主控芯片低功耗管理電路相連，主控芯片低功耗管理電路與所述弱電主供電回路相連，掉電存數(shù)供電電路及電池供電電路與弱電主供電回路連接，弱電主供電回路包括電源管理芯片、低壓差電源芯片和主電源芯片，其中電源管理芯片采用多路輸出DC/DC高效電源管理芯片，主電源芯片采用DC/DC高效電源芯片，掉電存數(shù)供電電路包括儲能電容和電源芯片，該電源芯片采用DC/DC高效電源芯片，電源監(jiān)控電路通過電壓檢測電路檢測外部供電系統(tǒng)和掉電存數(shù)供電電路，在外部供電系統(tǒng)失效和掉電存數(shù)供電電路失效時切換至電池供電電路，最終使弱電主供電回路始終有多路電源有效輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，其特征在于所述 DC/DC高效電源管理芯片為TPS650240RHBT、低壓差電源芯片采用TPS73250DBVR，主電源芯 片采用DC/DC高效電源芯片LM2830X。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，其特征在于所 述主控芯片低功耗管理電路利用ATMEL公司的AT91SAM9G20芯片集成的低功耗管理電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，其特征在于掉 電存數(shù)供電電路中儲能電容的充電電壓采用12V，電源芯片采用DC/DC高效電源芯片將電 壓轉(zhuǎn)換為5V短時間給電子式電能表供電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，其特征在于低 功耗喚醒電路采用按鍵或激光或采用外部供電系統(tǒng)上電喚醒電子式電能表。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，其特征在于電源芯 片采用DC/DC高效電源芯片LM2736X。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于電子式電能表的電源管理供電系統(tǒng)，包括弱電主供電回路、電源監(jiān)控電路、掉電存數(shù)供電電路、電池供電電路、低功耗喚醒電路，還包括主控芯片低功耗管理電路，所述低功耗喚醒電路與主控芯片低功耗管理電路相連，主控芯片低功耗管理電路與所述弱電主供電回路相連，掉電存數(shù)供電電路及電池供電電路與弱電主供電回路連接，其中弱電主供電回路中的電源管理芯片采用多路輸出DC/DC高效電源管理芯片，主電源芯片采用DC/DC高效電源芯片，掉電存數(shù)供電電路中的電源芯片采用DC/DC高效電源芯片，最終使弱電主供電回路始終有多路電源有效輸出。本發(fā)明系統(tǒng)既能使高性能的芯片應(yīng)用于電子式電能表，又能使電子式電能表在各供電工作模式下穩(wěn)定工作。
文檔編號H02J13/00GK101841187SQ201010185219
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者馮燕, 易龍強, 熊政 申請人:威勝集團有限公司