一种串口多级充放电电源的设计方法与电路与流程

本发明涉及信息技术领域，尤其是涉及智能设备和传感器网络领域，特别是低功耗自取电的串口通信设备的细分领域。

背景技术：

根据发明人对此前业内已有的研究成果的检索和研究，发现如下：

申请号201410054366.7，《一种自取电的rs232与红外通信接口转换电路》，提出用rs232的dtr和txd信号端供电，用于红外38khz的发射电路中。实际上，由于dtr的输出最大电流是60ma。而txd是用于发送数据，在不影响数据发送的情况下，只能提供6ma以下的电流。同时，在3线制的rs232端口中，没有dtr端子，没有采用多级电源设计，所以所以该申请在微功率电源设计上，不具备明显的优势。

申请号201510204268.1，《无源四路rs232串口集线器》，虽然提出采用txd和rxd取电，但是并未给出设计方法和电路。此外，该申请采用4路rs232端口取电，所提供的电流是单个rs232端口的4倍。没有采用多级电源设计，所以所以该申请在微功率电源设计上，依然不具备明显的优势。

申请号201710149880.2，《rs232-485无源转换器的供电电路》，该申请除了采用txd和rxd取电，还采用trs和dtr取电，无法在3线制的rs232中使用，没有采用多级电源。

申请号201520648984.4，《一种带串口取电的转换电路》，采用的是9线制的rs232取电，没有多级电源。

现有技术的不足，在小电流充电时，表现在于：

1、单级电源供电，由于为了使得电源的供电能力足够支撑电路的需求，只能加存储大电容的容量。这一方面使得电源上电的准备时间较长；另外一方面由于单级电源是用于主电路供电的，所以，其电压通常较低，例如3.3v。这样，来自于充电端的高电压的电能在给电容充电时就有很多白白浪费。

而采用多级供电，第一级作为低电压的主电源，第二级或者后一级就可以采用高电压给电容充电，免去了充电端高电压电能的浪费。

2、对于采用类似rs232的txd信号端提供的仅有几个毫安量级的微电流做单级充电时，如果存储电容太小，则大电流脉冲类应用的供电就无法实现；如果存储电容太大，侧由于充电时间过长，因此而影响电路的启动。

3、在做基于3线制的rs232通信时，由于没有rts、dtr引线，无法实现串口取电。

本发明的意图在于，通过设计一种多级充放电电源，第一级作为低电压的主电源，采用小电容快速充电，以便于主电路尽快进入工作状态。第二级或者后一级就可以采用高电压给大电容充电，免去了充电端高电压电能的浪费，存储足够的电能，满足主电路在做大电流脉冲供电需求(例如蓝牙通信)。同时，再设计出通过采用3线制串口的数据发送端txd的信号取电，以适应某些3线制rs232接口的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种串口多级充放电电源的设计方法与电路。

本发明的目的是采用如下技术方案实现的：

一种串口多级充放电电源的设计方法，包括但不限于：

充电电源给电路1充电的步骤，所述电路1控制电路2充电的步骤，所述充电电源给所述电路2充电的步骤，所述电路2给所述电路1充电的步骤，递归充电的步骤。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述电路1包括但不限于第一充电口p1、第二充电口p2、输出控制口p5、电容c1、输出电源口p3。所述电路2包括但不限于充电口p6、输入控制口p7、电容c2、输出电源口p8，所述充电电源包括但不限于输入端pin和输出端pout，输出直流电压为电压v0。

所述充电电源给电路1充电的步骤，包括但不限于：

所述pout连接所述p1，为所述电路1充电的步骤，所述电路1充电的步骤包括所述c1充电的步骤，所述p3提供直流稳压输出为电压v1的步骤。

所述所述电路1控制电路2充电的步骤，包括但不限于：

所述p3的电压小于所述电压v1时，所述p5输出的控制信号k1为逻辑0，阻止所述电路2接受所述充电电源充电的步骤。所述p3的电压大于或等于所述电压v1时，所述p5输出的所述控制信号k1为逻辑1，允许所述电路2充电的步骤。

所述所述充电电源给所述电路2充电的步骤，包括但不限于：

所述pout连接所述p6，为所述电路2充电的步骤。所述p8提供直流稳压输出为电压v2的步骤。所述电路2充电的步骤包括所述c2充电的步骤，其中c2＞c1。

所述所述电路2给所述电路1充电的步骤，包括但不限于：

当所述电路1不包括但不限于升压电路时，所述p8的电压大于或等于所述电压v2时，所述p8通过所述p2为所述电路1充电的步骤；当所述电路1包括但不限于升压电路时，所述p8通过所述p2为所述电路1充电的步骤。

所述递归充电的步骤，包括但不限于：

所述方法包括n级充电电路，把所述电路m当做当前电路，把所述电路m+1当做下一级电路的步骤，m≥2，n≥3，m、n都是自然数。

循环体步骤，包括但不限于：所述充电电源给所述当前电路充电，所述当前电路阻止下一级电路充电直到所述当前电路充电完成，才允许所述下一级电路充电，所述充电电源给所述下一级电路充电，所述下一级电路给所述当前电路充电。

递归步骤，包括但不限于：执行所述循环体步骤，直到所述下一级电路为最后一级电路。

关于递归步骤的进一步解释如下：

例如，当设计有第三级充放电的电路3时，电路3的充电电容c3，电路2设计一个控制信号k2，当电路2的c2在充电完成之前，k2＝0，阻止电路3对电容c3的充电；当c2完成充电后，k2＝1，允许电路3对电容c3的充电，由k2去控制电路3的充放电。另外，电路3的电压输出，例如叫做v3，此时v3既可以作为电路2的第二充电口的充电电源，也可以直接把v3引向电路1的第三充电口，作为电路1的第三充电电源。依次类推。

所述电路1包括但不限于mcu电路和显示器；所述电路1和所述电路2包括但不限于直流变换电路dc-dc、升压电路。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述充电电源包括但不限于串口取电的步骤。

所述pin连接外部串口，从所述外部串口的信号线上获取电源。

所述串口取电的步骤，包括但不限于限制输入步骤、极性转换步骤、稳压步骤、输入端保护步骤。

所述限制输入步骤包括但不限于所述pin的输入限压、限流和限频的步骤。

所述限压的步骤，具体包括但不限于：所述pin的输入电压为u01，所述u01的允许的范围从-u到+u，包括但不限于交流电压和双极性正负直流脉冲电压，包括但不限于整流、滤波、电容存储，所述u01的绝对值是0.8v≤u01≤36v。

所述限流的步骤，具体包括：所述pin的输入电流i0不大于imax，其中，所述imax小于所述串口所能提供的额定电流；imax≥i0≥1ma。

所述限频的步骤，具体包括：滤波频率f避开f0的滤波电路，f0－δf≥f≥f0+δf，f0为所述信号的频率，δf为偏移频率。

所述极性转换的步骤，包括无论u01是正还是负，都能够使得所述取电电路输出正电压，包括采用电荷泵极性转换电路。

所述稳压的步骤，具体包括电容存储和稳压，还包括升压、降压。

所述电压之间的关系是：v0＞v2＞v1。

所述输入端保护步骤，包括过压保护、过流保护、静电释放的esd保护、电磁兼容性的emc保护。

以rs232c接口的txd端为例，由于其电压为-15v到+15v，在某些设备上的rs232c接口的txd端，可能出现-5v到+5v，而对于pout，建议设计在+9v，于是，这里采用电荷泵做负压转换和+9v的稳压输出。

所述限流，包括在限流范围内，压降较小的电路，而在限流开始时，采用加大压降的限流电路，不宜采用简单的电阻分压式限流，这样会加大输入端的能量损耗。

在这里，由于外界的rs232设备，存在着接地、感应电压、人体静电电压的风险，所以，通常选择做输入端静电、浪涌、过流、过压的保护。

所述串口的类型包括但不限于rs232、rs422、rs485、ieee1394、ps2、dvi、rj45、rj11、hdmi、scsi、sas、odb、usb。

所述外部串口的信号线包括但不限于：基于rs232中9线制的发送数据端txd、接收数据端rxd、发送请求端rts、数据终端准备好端dtr，还包括基于rs232中3线制的发送数据端txd，接收数据端rxd，还包括除rs232之外的其它串行接口的信号线。

所述串口取电电路是在本方法的电路没有提供外部电源的情况下，从外部设备的串口的信号线端子上取电，同时不影响串口信号的正常发送和接收。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于电池供电的步骤。

所述电池包括但不限于干电池或可充电电池或长寿命电池，当采用所述可充电电池时包括给所述可充电电池充电的步骤；

所述电池的电压为v00，所述电压之间的关系是：v1＞v00。

在这里，可以选择长寿命纽扣电池，推荐产品的供电是μa量级，寿命可达9.5年，此时v00的电压标称为3v，低至1.8v仍然可以工作。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于用电电路的分级步骤、用电步骤、约束步骤和监测步骤，具体包括：

所述分级步骤，包括但不限于：

根据用电量的大小，把所述用电电路从用电量小到用电量大分级的步骤。根据所述用电电路的功能进行分级的步骤。根据用户的意图将所述用电电路进行分级的步骤。

所述用电步骤，包括但不限于：

采用所述电压v00提供给用电量小的用电电路的应用，包括但不限于所述mcu电路的核心实时钟、核心存储、显示。采用所述电压v1提供给用电量中等的用电电路或最重要的或所述用户最需要的用电电路。

这里建议mcu选择1.8v至3v供电、μa量级的集成电路。

采用所述电压v2提供给用电量最大的或用户意图的用电电路。

所述约束步骤，记所述充电电源提供的总电能为e0，所述电路1提供的总电能为e1，所述电2提供的总电能为e2，全部所述递归的电路提供的总电能为e∑，电能ei与电压ui和限流ii之间的关系是ei＝∫ui×iidt，1≤i≤n，n为所述递归的总级数，电能约束关系符合e0≥e∑。

所述监测步骤，包括但不限于：

由所述mcu电路通过adc和gpio，监测所述pout、p3和p8的电压及电流，计算用电量、剩余电量和管理，通过所述data输出电路和所述显示器输出监测结果及计算结果，充当所述p5输出所述k1信号。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于串口监测的步骤：具体包括但不限于由所述mcu电路通过adc和gpio，监测串口的接插件联通性和输入端电压的有效性，并且把监测结果发到所述显示器上显示并通过所述data输出电路向外发信息的步骤。

优选地，mcu还可以通过通用输入输出gpio或模数转换器adc对于pin端进行监测，例如，在pin端串联一个电阻r，通过监测这个电阻r两端是否存在电压，有电压，说明接插件电路联通正常，否则说明联通异常，以进一步监测接插件的连通是否完好。

一种串口多级充放电电源的设计电路，包括但不限于输出端pout、电路1、电路、多级电路、mcu电路。

所述电路1包括但不限于第一充电口p1、第二充电口p2、稳压值为v1的稳压电路1、输出信号为k1的输出控制口p5、输出电压为u1的输出电源口p3、电容c1。所述p1连接所述pout，所述c1接受所述p1和所述p2的充电。当所述u1＜v1-δv时使得所述k1＝0，当所述u1≥v1时使得所述k1＝1，所述δv为所述稳压电路1的稳压区间值。所述稳压电路1在所述c1充电完成后，通过所述p3输出u1＝v1。

所述电路2包括但不限于充电口p6、稳压值为v2的稳压电路2、输出电压为u2的输出电源口p8、输入控制口p7、电容c2。所述p6连接所述pout，所述p7连接所述p5，当所述k1＝0时，所述电路2停止向所述c2充电，当所述k1＝1时，所述电路2向所述c2充电。所述稳压电路2在所述c2充电完成后，通过所述p8输出电压u2＝v2。所述p8连接所述p2，当u2＞v1时所述p8向所述电路1充电。所述电压、电容的数值关系是：v2＞v1，c2＞c1。

作为一个设计参考，c2的容量要远大于c1的容量，而c1的容量选择，只要能够支撑后续电路的启动和准备工作就可以了，从快速响应(例如1秒左右)的角度上看，作为5ma以下的电源，c1宜选用百微法量级，c2的容量宜选c1的5倍以上。

所述多级电路包括电路n，n为自然数其电路的级数和连接接口和连接依照电路1和电路2类推

所述mcu电路包括但不限于mcu、存储、显示器、用电量监测电路、data输出电路。所述用电量监测电路连接所述pout、p3和p8，以监测电流和电压，由所述mcu计算用电量、剩余电量和管理，通过所述data输出电路输出监测及计算结果。所述mcu包括但不限于输出端，替代所述p5输出所述k1信号。所述显示器用于显示所述设计电路的工作状态、所述监测及计算的结果。所述存储用于包括但不限于存储软件和所述设计电路的工作状态、所述监测及计算的结果。所述显示器包括但不限于低功耗液晶显示器。

在前述技术方案的基础上，在本发明进一步包含但不限于以下内容及其组合：

包括但不限于串口取电电路。

具体包括但不限于输入端pin、整流滤波电路、极性转换电路、所述pout、限流电路、输入保护电路。

所述pin的输入电压为u01，所述u01的允许的范围从-u到+u，包括但不限于交流电压和双极性正负直流脉冲电压，0.8v≤u≤36v。所述pin对外连接外部串口，具体连接包括但不限于发送请求端rts、数据终端准备好端dtr，还包括但不限于除rs232之外的其它串行接口的信号线，对内连接所述整流滤波电路，所述整流滤波电路连接所述极性转换电路，所述极性转换电路连接所述pout。所述pout的输出电压为v0，并且v0＞v2。

所述整流滤波电路，包括但不限于正向压降≤1.0v的整流器件，包括但不限于高频滤波电路和低频滤波电路，所述串口输入端电压u01包括但不限于双极性正负脉冲电压和交流电压，所述整流器件包括包括但不限于肖特基器件。

所述极性转换电路，包括但不限于将负极性电压转换成正极性电压的电路，包括电荷泵电路、直流到直流转换电路dc-dc。

所述限流电路，包括但不限于限制所述pin流入的电流不超过500ma的限流器件和电路。

所述输入端保护电路，包括但不限于过压保护、过流保护、静电释放的esd保护、电磁兼容性的emc保护。

在前述技术方案的基础上，在本发明进一步包含但不限于以下内容及其组合：

包括txd取电电路。

具体包括但不限于：输入端pin、双向整流滤波电路、电荷泵电路、所述pout、限流电路、输入保护电路。

所述pin的输入电压为u01，所述u01的允许的范围从-u到+u，包括但不限于交流电压和双极性正负直流脉冲电压，3v≤u≤15v。所述pin对外连接外部串口设备端数据发送端txd，对内连接所述双向整流滤波电路，所述双向整流滤波电路连接所述电荷泵电路，所述pin对外连接所述txd和所述rxd。

所述双向整流电路，包括但不限于将来自所述txd和地线之间的正负电压脉冲进行整流和滤波，产生正电源和负电源。所述电荷泵电路将所述负电源与所述正电源并联或者叠加，形成所述直流电压v0，v0＞v2。

所述限流电路，包括但不限于限制所述pin流入的电流不超过10ma的限流器件和电路。

所述输入端保护电路，包括但不限于过压保护、过流保护、静电释放的esd保护、电磁兼容性的emc保护。

在前述技术方案的基础上，在本发明进一步包含但不限于以下内容及其组合：

包括：电池供电电路和mcu的低功耗工作模式，有效性监测。

所述电池供电电路包括电池和供电电路。

所述电池包含但不限于干电池、长寿命纽扣电池或可充电电池，在采用所述可充电电池时包含但不限于充电电路。

所述电池包括可充电的长寿命纽扣电池，并采用一个充电电路，从v1引入充电电源，这样，在由本电源供电的设备在存储时，可以在低功耗液晶显示器上显示设备的状态，并且存储上一次应用的部分信息，还可以在通过接插件插入串口时，做串口的监测电路的供电。

所述供电电路连接所述电池和所述mcu，处理所述电池供电的电路。

所述低功耗工作模式工作内容包含但不限于：mcu、实时钟、存储、显示器，包含但不限于所述用电量监测电路，显示内容包含但不限于所述设计电路的工作状态。

所述电池供电电路为所述低功耗模式工作模式供电。

所述有效性监测包含但不限于串口监测电路，所述串口监测电路连接所述mcu、串口或所述txd，监测内容包含但不限于：所述串口或所述txd有没有连通、有没有信号、所述信号是否正常，把监测结果显示在所述显示器上并输出报警。

所述显示器包含但不限于低功耗液晶显示器。

所述设计电路全部选择低功耗器件和电路设计。

所述串口取电电路和所述电路1或电路2采用同一个集成电路。

有益效果

与现有技术相比，本发明实现了发明意图，具有以下有益效果：

1、采用分级充电，提高了取电的效率；采用错峰供电，大幅度提高了主电源在大电流脉冲供电时的性能。

2、能够从串口获取电源，尤其是从3线制的rs232的txd端获取电源，供设备使用，无需外部供电。

3、有利于实现低功耗的微型串口设备的供电实现。

附图说明

图1：多级充放电电源原理图

图2：基于rs232的txd端取电的二级电源

图3：带长寿命电池的基于rs232的txd端取电的三级电源

具体实施方法

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行描述。

本发明的具体实施方式如下：

实施例一：基于rs232的txd端取电的二级电源

一、结构说明

图1是本发明的多级充放电电源原理图。

其中，101是充电电路，也就是串口取电电路，它的输入是串口的输出端子，电压为u01，单极或者正负双极脉冲。输出电压是直流v0，送电路1和电路2用于充电。电路1从p3输出稳压电压v1，并从p5端输出开关信号k1，控制电路2，在电路1的电容c1充电完成之前，k1＝0，关闭电路2的充电，c1充电完成后，p3端达到稳压值v1，此时k1＝1，开启电路2的充电。电路2从p8端输出v2，作为电路1的备份电压，通过p2用于给电路1充电，以确保电路在上电时快速稳压到位，同时大幅度加强脉冲电源的供电能力。

图2是本实施例的结构图。

设计意图是提供从rs232的txd端(也包括rxd端)取电的多级电源。其中，201是保护电路。202是双极性整流电路，它将输入端的正负脉冲整流成正负直流电源。203是电荷泵，完成负电源的极性转换，根据输入端电压值的大小，电荷泵还可以选择倍压设计。例如，当u01在6v以下时，为了提高v0，电荷泵就设计为在完成负电压转换的同时，再加上倍压设计，具体可参考电荷泵的集成电路手册。204和205分别是电路1和电路2，206、207、208是选配件，分别是显示器、mcu和存储。这些在简化版设计是可以不用，在不用这些选配件的设计中，k1信号由电路1形成并且提供给电路2。在选用选配件的时候，由于mcu的引入，可以通过gpio和软件设计，使得整个电源系统获得更高的智能化性能和功能。需要注意的是：1、图2中txd、rxd、gen都是外部接口(例如3线制的rs232c接口)的设备端的端子标定，对于本电源设计来说，txd是外部的信号发送端子。2、图2中的rs232引线是通向本电源电路的应用电路或者模块的引线。3、图2中的data引线也是通向本电源电路的应用电路或者模块的引线，通过这样的设计和后续的mcu的软件设计，可进一步为应用电路或者模块提供更多的功能。

二、方法说明

如图2所示，一种串口多级充放电电源的设计方法，包括但不限于：

充电电源给电路1充电的步骤，所述电路1控制电路2充电的步骤，所述充电电源给所述电路2充电的步骤，所述电路2给所述电路1充电的步骤，递归充电的步骤。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述电路1包括但不限于第一充电口p1、第二充电口p2、输出控制口p5、电容c1、输出电源口p3。所述电路2包括但不限于充电口p6、输入控制口p7、电容c2、输出电源口p8，所述充电电源包括但不限于输入端pin和输出端pout，输出直流电压为电压v0。

所述充电电源给电路1充电的步骤，包括但不限于：

所述pout连接所述p1，为所述电路1充电的步骤，所述电路1充电的步骤包括所述c1充电的步骤，所述p3提供直流稳压输出为电压v1的步骤。

所述所述电路1控制电路2充电的步骤，包括但不限于：

所述p3的电压小于所述电压v1时，所述p5输出的控制信号k1为逻辑0，阻止所述电路2接受所述充电电源充电的步骤。所述p3的电压大于或等于所述电压v1时，所述p5输出的所述控制信号k1为逻辑1，允许所述电路2充电的步骤。

所述所述充电电源给所述电路2充电的步骤，包括但不限于：

所述pout连接所述p6，为所述电路2充电的步骤。所述p8提供直流稳压输出为电压v2的步骤。所述电路2充电的步骤包括所述c2充电的步骤，其中c2＞c1。

所述所述电路2给所述电路1充电的步骤，包括但不限于：

当所述电路1不包括但不限于升压电路时，所述p8的电压大于或等于所述电压v2时，所述p8通过所述p2为所述电路1充电的步骤；当所述电路1包括但不限于升压电路时，所述p8通过所述p2为所述电路1充电的步骤。

所述递归充电的步骤，包括但不限于：

所述方法包括n级充电电路，把所述电路m当做当前电路，把所述电路m+1当做下一级电路的步骤，m≥2，n≥3，m、n都是自然数。

循环体步骤，包括但不限于：所述充电电源给所述当前电路充电，所述当前电路阻止下一级电路充电直到所述当前电路充电完成，才允许所述下一级电路充电，所述充电电源给所述下一级电路充电，所述下一级电路给所述当前电路充电。

递归步骤，包括但不限于：执行所述循环体步骤，直到所述下一级电路为最后一级电路。

关于递归步骤的进一步解释如下：

例如，当设计有第三级充放电的电路3时，电路3的充电电容c3，电路2设计一个控制信号k2，当电路2的c2在充电完成之前，k2＝0，阻止电路3对电容c3的充电；当c2完成充电后，k2＝1，允许电路3对电容c3的充电，由k2去控制电路3的充放电。另外，电路3的电压输出，例如叫做v3，此时v3既可以作为电路2的第二充电口的充电电源，也可以直接把v3引向电路1的第三充电口，作为电路1的第三充电电源。依次类推。

所述电路1包括但不限于mcu电路和显示器。所述电路1和所述电路2包括但不限于直流变换电路dc-dc、升压电路。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

所述充电电源包括但不限于串口取电的步骤。

所述pin连接外部串口，从所述外部串口的信号线上获取电源。

所述串口取电的步骤，包括但不限于限制输入步骤、极性转换步骤、稳压步骤、输入端保护步骤。

所述限制输入步骤包括但不限于所述pin的输入限压、限流和限频的步骤。

所述限压的步骤，具体包括但不限于：所述pin的输入电压为u01，所述u01的允许的范围从-u到+u，包括但不限于交流电压和双极性正负直流脉冲电压，包括但不限于整流、滤波、电容存储，所述u01的绝对值是0.8v≤u01≤36v。

所述限流的步骤，具体包括：所述pin的输入电流i0不大于imax，其中，所述imax小于所述串口所能提供的额定电流；imax≥i0≥1ma。

所述限频的步骤，具体包括：滤波频率f避开f0的滤波电路，f0－δf≥f≥f0+δf，f0为所述信号的频率，δf为偏移频率。

所述极性转换的步骤，包括无论u01是正还是负，都能够使得所述取电电路输出正电压，包括采用电荷泵极性转换电路。

所述稳压的步骤，具体包括电容存储和稳压，还包括升压、降压。

所述电压之间的关系是：v0＞v2＞v1。

所述输入端保护步骤，包括过压保护、过流保护、静电释放的esd保护、电磁兼容性的emc保护。

以rs232c接口的txd端为例，由于其电压为-15v到+15v，在某些设备上的rs232c接口的txd端，可能出现-5v到+5v，而对于pout，建议设计在+9v，于是，这里采用电荷泵做负压转换和+9v的稳压输出。

所述限流，包括在限流范围内，压降较小的电路，而在限流开始时，采用加大压降的限流电路，不宜采用简单的电阻分压式限流，这样会加大输入端的能量损耗。

在这里，由于外界的rs232设备，存在着接地、感应电压、人体静电电压的风险，所以，通常选择做输入端静电、浪涌、过流、过压的保护。

所述串口的类型包括但不限于rs232、rs422、rs485、ieee1394、ps2、dvi、rj45、rj11、hdmi、scsi、sas、odb、usb。

所述外部串口的信号线包括但不限于：基于rs232中9线制的发送数据端txd、接收数据端rxd、发送请求端rts、数据终端准备好端dtr，还包括基于rs232中3线制的发送数据端txd，接收数据端rxd，还包括除rs232之外的其它串行接口的信号线。

所述串口取电电路是在本方法的电路没有提供外部电源的情况下，从外部设备的串口的信号线端子上取电，同时不影响串口信号的正常发送和接收。

例如，对于rs422，由于它是4线制，收发各有2根线，此时在整流电路的设计中，只需要做单极性电源设计，不需要负电源设计，不需要电源极性转换。对于rs485，由于它是半双工通信的2线制，与rs422类似。对于usb，由于它本身就提供了电源，所以，就无需取电电路的设计。其它串口类型的设计依此类推。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于用电电路的分级步骤、用电步骤、约束步骤和监测步骤，具体包括：

所述分级步骤，包括但不限于：

根据用电量的大小，把所述用电电路从用电量小到用电量大分级的步骤。根据所述用电电路的功能进行分级的步骤。根据用户的意图将所述用电电路进行分级的步骤。

所述用电步骤，包括但不限于：

采用所述电压v00提供给用电量小的用电电路的应用，包括但不限于所述mcu电路的核心实时钟、核心存储、显示。采用所述电压v1提供给用电量中等的用电电路或最重要的或所述用户最需要的用电电路。

这里建议mcu选择1.8v至3v供电、μa量级的集成电路。

采用所述电压v2提供给用电量最大的或用户意图的用电电路。

所述约束步骤，记所述充电电源提供的总电能为e0，所述电路1提供的总电能为e1，所述电2提供的总电能为e2，全部所述递归的电路提供的总电能为e∑，电能ei与电压ui和限流ii之间的关系是ei＝∫ui×iidt，1≤i≤n，n为所述递归的总级数，电能约束关系符合e0≥e∑。

所述监测步骤，包括但不限于：

由所述mcu电路通过adc和gpio，监测所述pout、p3和p8的电压及电流，计算用电量、剩余电量和管理，通过所述data输出电路和所述显示器输出监测结果及计算结果，充当所述p5输出所述k1信号。

在前述技术方案的基础上，在本发明的另一些方案中可以采用如下列的一种或者多种局部改进的措施：

包括但不限于串口监测的步骤：具体包括但不限于由所述mcu电路通过adc和gpio，监测串口的接插件联通性和输入端电压的有效性，并且把监测结果发到所述显示器上显示并通过所述data输出电路向外发信息的步骤。

优选地，mcu还可以通过通用输入输出gpio或模数转换器adc对于pin端进行监测，以进一步监测接插件的连通是否完好。

三、电路说明

一种串口多级充放电电源的设计电路，包括但不限于输出端pout、电路1、电路、多级电路、mcu电路。

所述电路1包括但不限于第一充电口p1、第二充电口p2、稳压值为v1的稳压电路1、输出信号为k1的输出控制口p5、输出电压为u1的输出电源口p3、电容c1。所述p1连接所述pout，所述c1接受所述p1和所述p2的充电。当所述u1＜v1-δv时使得所述k1＝0，当所述u1≥v1时使得所述k1＝1，所述δv为所述稳压电路1的稳压区间值。所述稳压电路1在所述c1充电完成后，通过所述p3输出u1＝v1。

所述电路2包括但不限于充电口p6、稳压值为v2的稳压电路2、输出电压为u2的输出电源口p8、输入控制口p7、电容c2。所述p6连接所述pout，所述p7连接所述p5，当所述k1＝0时，所述电路2停止向所述c2充电，当所述k1＝1时，所述电路2向所述c2充电。所述稳压电路2在所述c2充电完成后，通过所述p8输出电压u2＝v2。所述p8连接所述p2，当u2＞v1时所述p8向所述电路1充电。所述电压、电容的数值关系是：v2＞v1，c2＞c1。

作为一个设计参考，c2的容量要远大于c1的容量，而c1的容量选择，只要能够支撑后续电路的启动和准备工作就可以了，从快速响应(例如1秒左右)的角度上看，作为5ma以下的电源，c1宜选用百微法量级，c2的容量宜选c1的5倍以上。

所述多级电路包括电路n，n为自然数其电路的级数和连接接口和连接依照电路1和电路2类推。在本实施例中，只采用两级电路，但不限于两级电路。

所述mcu电路包括但不限于mcu、存储、显示器、用电量监测电路、data输出电路。所述用电量监测电路连接所述pout、p3和p8，以监测电流和电压，由所述mcu计算用电量、剩余电量和管理，通过所述data输出电路输出监测及计算结果。所述mcu包括但不限于输出端，替代所述p5输出所述k1信号。所述显示器用于显示所述设计电路的工作状态、所述监测及计算的结果。所述存储用于包括但不限于存储软件和所述设计电路的工作状态、所述监测及计算的结果。所述显示器包括但不限于低功耗液晶显示器。

在pout、p3和p8的监测上，本实施例是通过在pout、p3和p8的线路中串联一个很小阻值的电阻，通过mcu的ad转换器监测该电阻上的电压来实现。监测结果从mcu的data端输出。

在前述技术方案的基础上，在本发明进一步包含但不限于以下内容及其组合：

包括但不限于串口取电电路。

具体包括但不限于输入端pin、整流滤波电路、极性转换电路、所述pout、限流电路、输入保护电路。

所述pin的输入电压为u01，所述u01的允许的范围从-u到+u，包括但不限于交流电压和双极性正负直流脉冲电压，0.8v≤u≤36v。所述pin对外连接外部串口，具体连接包括但不限于发送请求端rts、数据终端准备好端dtr，还包括但不限于除rs232之外的其它串行接口的信号线，对内连接所述整流滤波电路，所述整流滤波电路连接所述极性转换电路，所述极性转换电路连接所述pout。所述pout的输出电压为v0，并且v0＞v2。

所述整流滤波电路，包括但不限于正向压降≤1.0v的整流器件，包括但不限于高频滤波电路和低频滤波电路，所述串口输入端电压u01包括但不限于双极性正负脉冲电压和交流电压，所述整流器件包括包括但不限于肖特基器件。

所述极性转换电路，包括但不限于将负极性电压转换成正极性电压的电路，包括电荷泵电路、直流到直流转换电路dc-dc。

所述限流电路，包括但不限于限制所述pin流入的电流不超过500ma的限流器件和电路。

所述限流，采用有源限流电路或者过流保护电路。不宜采用简单的分压限流电路。

所述输入端保护电路，包括但不限于过压保护、过流保护、静电释放的esd保护、电磁兼容性的emc保护。

在前述技术方案的基础上，在本发明进一步包含但不限于以下内容及其组合：

包括txd取电电路。

具体包括但不限于：输入端pin、双向整流滤波电路、电荷泵电路、所述pout、限流电路、输入保护电路。

所述pin的输入电压为u01，所述u01的允许的范围从-u到+u，包括但不限于交流电压和双极性正负直流脉冲电压，3v≤u≤15v。所述pin对外连接外部串口设备端数据发送端txd，对内连接所述双向整流滤波电路，所述双向整流滤波电路连接所述电荷泵电路，所述pin对外连接所述txd和所述rxd。

所述双向整流电路，包括但不限于将来自所述txd和地线之间的正负电压脉冲进行整流和滤波，产生正电源和负电源。所述电荷泵电路将所述负电源与所述正电源并联或者叠加，形成所述直流电压v0，v0＞v2。

所述限流电路，包括但不限于限制所述pin流入的电流不超过10ma的限流器件和电路。

所述限流，采用有源限流电路或者过流保护电路。不宜采用简单的分压限流电路。

所述输入端保护电路，包括但不限于过压保护、过流保护、静电释放的esd保护、电磁兼容性的emc保护。

所述供电电路连接所述电池和所述mcu，处理所述电池供电的电路。

所述低功耗工作模式工作内容包含但不限于：mcu、实时钟、存储、显示器，包含但不限于所述用电量监测电路，显示内容包含但不限于所述设计电路的工作状态。

所述电池供电电路为所述低功耗模式工作模式供电。

所述有效性监测包含但不限于串口监测电路，所述串口监测电路连接所述mcu、串口或所述txd，监测内容包含但不限于：所述串口或所述txd有没有连通、有没有信号、所述信号是否正常，把监测结果显示在所述显示器上并输出报警。

优选地，mcu还可以通过通用输入输出gpio或模数转换器adc对于pin端进行监测，例如，在pin端串联一个电阻r，通过监测这个电阻r两端是否存在电压，有电压，说明接插件电路联通正常，否则说明联通异常，以进一步监测接插件的连通是否完好。

所述显示器包含但不限于低功耗液晶显示器。

所述设计电路全部选择低功耗器件和电路设计。

所述串口取电电路和所述电路1或电路2采用同一个集成电路。

实施例二：带长寿命电池的基于rs232的txd端取电的三级电源

该实施方式是本发明的另外一种应用——带长寿命电池的基于rs232的txd端取电的三级电源，与前述实施方式相比，相同之处不予复述，差异之处在于：

图3是本实施例的结构图。

本实施例中，采用三级电源供电，引入了如图3中的303的电路3，此外还引入了309的长寿命电池，所述长寿命电池包括不可充电的电池和可充电的电池。具体差异与下所述：

在具体设计方法方面：

1、包括但不限于第三极电源供电。

如图3中的电路3，它的pa端接受v0的充电，产生的输出电压v3送电路2的第二充电口，为电路2充电。在pb端，接受来自mcu形成的k2控制，在电路2充电完成之前，k2＝0，阻止电路3充电，当电路2充电完成后，k2＝1，开始电路3的充电。电路3的电容为c3。

2、包括电池供电的步骤。

所述电池供电，如图3中的309。所述电池包括但不限于干电池或可充电电池，当采用所述可充电电池时包括但不限于给所述可充电电池充电的步骤。

所述电池的电压为v00，所述电压之间的关系是：v1＞v00。对于可充电电池，还包括充电的步骤。

在这里，可以选择长寿命纽扣电池，推荐产品的供电是μa量级，寿命可达9.5年，此时v00的电压标称为3v，低至1.8v仍然可以工作。

在具体电路设计方面：

包括：电池供电电路和mcu的低功耗工作模式，有效性监测。

所述电池供电电路包括电池和供电电路。

所述电池包含但不限于干电池、长寿命纽扣电池或可充电电池，在采用所述可充电电池时包含但不限于充电电路。

所述电池包括可充电的长寿命纽扣电池，并采用一个充电电路，从v1引入充电电源，这样，在由本电源供电的设备在存储时，可以在低功耗液晶显示器上显示设备的状态，并且存储上一次应用的部分信息，还可以在通过接插件插入串口时，做串口的监测电路的供电。

在本实施例中，采用不可充电的br3032型号的聚碳酸二氟锂电池，该电池的存储电量是3v/500mah，标准放电电流是30μa，供液晶显示器和低功耗mcu使用。如果按照存储时放电6μa计算，理论计算可以存储9.5年。

还可以采用可充电的锰充电锂电池，型号是ml2020，存储电量是3v/45mah，标准放电电流是120μa，如果按照存储时放电6μa计算，理论计算一次充电可以存储11个月。