一種隔離式電池供電方案的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電力設備技術領域與集成電路設計領域，具體是指應用于智能電表中的一種隔離式電池供電方案。
【背景技術】
[0002]根據國家電網智能電能表功能規范，智能電表采用鋰電池作為無交流電存在情況時鐘電路的備用電源，用于提供時鐘電路的工作電壓，避免因時鐘電路掉電導致的時鐘錯亂。作為無交流市電存在時的備用電源，如何設計電池供電方案已成為智能表設計過程中的重要環節。
[0003]目前智能電表中常用的電池供電方案有:非隔離鋰電池供電方案，即鋰電池供電電路與時鐘電路均以交流市電作為公共地；隔離鋰電池供電方案，即鋰電池供電電路與時鐘電路分別采用獨立地線，實現與交流市電的隔離。上述兩種鋰電池供電方案，均存在不足之處。非隔離鋰電池供電方案的缺點在于，更換電池的操作完全暴露在強電環境中，增加了更換電池時的觸電危險，同時由于電池直接為MCU供電，增加了更換電池操作帶來的對MCU管腳的靜電沖擊風險。隔離鋰電池供電方案，雖然避免了更換電池時的觸電危險，但由于鋰電池仍然直接為MCU供電，依然存在因更換電池等操作帶來的對MCU管腳的靜電沖擊風險。

【發明內容】

[0004]為解決現有智能電表電池供電方案中存在的問題，本發明提供了一種隔離式電池供電方案。該隔離式電池供電方案，不僅實現了鋰電池供電電路與時鐘電路地線的隔離，避免了電池更換過程中可能存在的觸電危險；而且避免了電池與MCU管腳的直接連通，消除了因更換電池等操作帶來的對MCU管腳的靜電沖擊風險。
[0005]本發明所述的一種隔離式電池供電方案，其特征在于，所述隔離式電池供電方案包括一鋰電池、一電阻R1、一電容器Cl、一反激隔離電源芯片、一變壓器、一使能電路、一時鐘電源電路和一交流市電電源電路。其中，
[0006]所述鋰電池作為無交流電存在時智能電表時鐘電路的備用電源，用于提供時鐘電路的工作電壓，避免因時鐘電路掉電導致的時鐘錯亂。
[0007]所述反激隔離電源芯片的第一輸入端與鋰電池正極VCC相連接，作為芯片電源輸入端；第二輸入端通過電阻Rl與VCC相連接，用于電池電量檢測過程產生大小為I的下拉電流；第三輸入端通過電容器Cl與GNDl相連接，用于產生巡檢信號；第四輸入端與鋰電池負極GNDl相連接，作為芯片地線輸入端，輸出端通過變壓器主線圈LI連接至鋰電池正極VCC0
[0008]所述變壓器主線圈LI兩端分別連接至鋰電池正極VCC和反激隔離芯片輸出端，副線圈L2兩端分別連接至時鐘電源電路第一輸入端和地線GND2，用于完成鋰電池到時鐘電源電路的能量傳遞。
[0009]所述使能電路連接至時鐘電源電路第一輸入端與地線GND2之間，用于開啟鋰電池供電系統的電池電量檢測功能。
[0010]所述時鐘電源電路第一輸入端與變壓器相連接，第二輸入端與交流市電電源電路相連接，輸出電壓VO作為時鐘電路的供電電源；交流市電存在情況下，該時鐘電源電路以交流市電電源電路輸出VDD為電源，提供時鐘電路工作電壓VO ;交流市電斷電情況下，該時鐘電源電路以鋰電池為備用電源，提供時鐘電路工作電壓VO。
[0011 ] 所述交流市電電源電路以交流市電作為供電電源，輸出為電壓VDD，在交流市電存在情況下，輸出電壓VDD為時鐘電源電路提供工作電壓。
[0012]所述的一種隔離式電池供電方案，其特征在于，反激隔離電源芯片為低靜態功耗電源芯片，極大降低反激隔離電源芯片自身帶來的鋰電池電量損耗。
[0013]本發明的工作原理如下:
[0014]1、交流市電斷電情況
[0015]交流市電斷電情況下，時鐘電源電路的工作電壓由鋰電池提供。在反激隔離電源芯片控制下，鋰電池以脈沖的形式連續為時鐘電源電路供電的過程，定義為充電模式；鋰電池終止為時鐘電源電路供電的過程，定義為待機模式。充電模式中，在反激隔離電源芯片對變壓器的通斷控制下，供電系統完成了鋰電池能量到時鐘電源電路的轉移，電壓VO逐漸增大。并且，充電模式中，反激隔離電源芯片時刻對電壓VO的大小進行檢測:若檢測到電壓V0<V1，則鋰電池供電系統保持充電模式，持續對時鐘電源電路充電，電壓VO繼續升高；若檢測到時鐘電源VO > VI，則鋰電池供電系統結束充電模式，系統進入待機模式，電壓VO開始降低。待機模式中，鋰電池終止為時鐘電源電路供電，電壓VO逐漸降低。并且，待機模式中，反激隔離電源芯片對電壓VO大小進行定時巡檢，及時檢測時鐘電壓VO的大小:若檢測到時鐘電壓VO > V2，則鋰電池供電系統保持待機模式，電壓VO繼續減低；若檢測到電源VO<V2，鋰電池供電系統結束充電模式，系統進入充電模式，電壓VO開始升高。通過反激隔離芯片對時鐘電壓VO大小的檢查功能，鋰電池供電系統在充電模式與待機模式之間來回切換，完成交流市電斷電情況下，電池能量到時鐘電源電路的傳遞，避免因時鐘電源電路輸出電壓VO掉電引起的時鐘錯亂。
[0016]閾值電壓Vl為時鐘電源典型工作電壓；閾值電壓V2滿足低于時鐘電源典型工作電壓，且大于時鐘電路正常工作的最低電源電壓。該二閾值電壓大小關系為V2 < Vlo
[0017]2、有交流市電供電情況
[0018]有交流市電供電情況下，時鐘電源電路工作電壓由交流市電電源電路VDD提供，鋰電池供電系統處于待機模式。待機模式中，通過反激隔離電源芯片與電容器Cl產生的巡檢信號，鋰電池供電系統定時開啟巡檢功能，即通過開啟系統對電壓VO的定時檢查，及時獲知電壓VO的大小，避免因交流市電中斷，由于鋰電池不能及時參與供電導致電壓VO掉電引起的時鐘錯亂。同時，待機模式中，鋰電池主要提供提反激隔離電源芯片的靜態工作電流。低靜態功耗電源芯片的設計，降低了芯片對鋰電池電量的損耗，延長了鋰電池的使用壽命O
[0019]3、鋰電池電量檢測功能
[0020]鋰電池處于電量消耗邊沿時，其內阻會顯著增加。根據這一特性，使能電路定時使能開一次，啟動鋰電池供電系統電池電量檢測功能。電池電量檢測功能開啟后，反激隔離電源芯片通過電阻Rl對鋰電池以電流I進行放電，并檢測該放電水平下鋰電池輸出電壓VCC的大小，以此獲知電池內阻的變化情況。通過上述對鋰電池內阻變化情況的檢測，獲取鋰電池是否處于電量耗盡邊沿。該電池電量檢測過程，若測得電池電壓VCC > V4，則認為電池電量充足；若測得電池電壓VCC <V4，則認為電池電量處于耗盡邊沿，此時系統輸出報警信號，并通過智能電表發出電池電量耗盡通知，通知需更換電池。
[0021]閾值電壓V4為根據鋰電池特性選定的電池電量耗盡邊沿對應的輸出電壓。
[0022]該反激隔離電池供電方案，實現了電池供電電路與時鐘電路地線的隔離，避免了電池更換過程中可能存在的觸電危險；同時避免了電池與MCU管腳的直接連通，消除了更換電池操作帶來的對MCU管腳的靜電沖擊風險。
【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中:
[0024]圖1為一種隔離式電池供電方案。
[0025]圖2為本發明一實施例的示意圖。
[0026]圖3為本發明中反激隔離芯片結構示意圖。
[0027]圖4為本發明待機模式與充電模式切換控制流圖。
【具體實施方式】
[0028]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合本發明實施例附圖，對本發明實施例中的技術方案做進一步清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發明實施例的一種，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0029]如圖2所示，為本發明一實施實例示意圖。鋰電池I正極VCC作為變壓器5主線圈側電路的電源端，負極GNDl作為變壓器5主線圈側電路的地線端。反激隔離芯片4的第一輸入端與鋰電池I的正極VCC相連接，該輸入端為反激隔離芯片4的電源輸入端；第二輸入端通過電阻2與鋰電池I正極VCC相連接，電池電量檢測過程中該輸入端配合電阻2產生恒定下拉電流I ;第三輸入端通過第一電容器3與鋰電池I的負極GNDl相連接，用于產生巡檢時鐘信號；第四輸入端與鋰電池的負極GNDl相連接，作為反激隔離芯片4的地線端；反激隔離芯片4的輸出端SW通過變壓器5的主線圈6與鋰電池I的正極VCC相連接。變壓器5的副線圈7的一端SWl分別與第一二極管8和第三二極管9正極相連接；變壓器5的副線圈7的另一端與地線GND2相連接，地線GND2作為變壓器5副線圈側電路地線端。第一二極管8、第二二極管12與第二電容器10 —起構成時鐘電源電路，其中第一二極管8的正極與變壓器SWl端相連接；負極通過第二電容器10與GND2相連接；第二二極管12的正極與交流市電電源電路輸出端VDD相連接；負極連接至第一二極管8和第二電容器10的公共端；第二電容器10兩端電壓VO即為時鐘電源電路的輸出電壓，該電壓為時鐘電路的電源電壓。交流市電電源電路13通過第二二極管12跨接至第二電容器10兩端，在交流電存在情況下，提供時鐘電源電路的工作電壓。第三二極管9的負極與NMOS管11的漏端相連接，NMOS管11的源端與地線GND2相連接；^0S管11的柵端與控制信號CTR相連接，在信號CTR控制下，第三二極管9與NMOS管11 一起作為鋰電池供電系統電池電量檢測功能的使能電路。
[0030]進行系統工作過程描述之前，首先說明在無特殊說明情況下控制信號CTR始終為低電平，即第三二極管9與NMOS管11構成使能電路的SWl端到GND2路徑始終處于斷開狀
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[0031]1、交流市電斷電時工作過程如下
[0032]由于交流市電斷電，交流市電電源電路13因失去自身工作所需的電源電壓而無法為時鐘電源電路提供工作電壓。此時為保證時鐘電路的正常運行，鋰電池I作為備用電源開始起作用。由于交流市電存在時，鋰電池供電系統處于待機模式，交流市電斷開后，隨著時鐘電路的運行，第二電容器10的兩端電壓VO逐漸降低。該過程中，通過反激隔離電源芯片4與第一電容器3產生的巡檢信號定時觸發鋰電池供電系統進入充電模式。充電模式中，反激隔離電源芯片4以周期為T的開關信號控制變壓器5中主線圈6的通斷:主線圈6導通階段，根