CN101232201B - 具有双向功率流的超级电容器备用电源 - Google Patents

具有双向功率流的超级电容器备用电源 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有双向功率流的超级电容器备用电源，其是一种用于向设备提供备用电源的系统。该系统包括超级电容器和用于为超级电容器充电和放电的单个电路。所述单个电路和电感器一起运行，以便为超级电容器充电和放电。

Description

具有双向功率流的超级电容器备用电源
技术领域
本发明涉及电源技术，更具体地涉及基于超级电容器的备用电源系统。
背景技术
许多数字系统在主电源不可用的情况下，需要备用电源。这通常利用电池来完成，但是随着容值非常高的电容器(超级电容器)的产生，更优选的经常是用电容器替代电池。这主要是由于维护的原因：超级电容器可以比可充电电池承受更多的充电/放电周期，并且比电池具有更长的使用寿命从而减少了给定的需要备用机构的产品的维修需求。
公知的用超级电容器来存储能量的备用电源机构包括两个单独的(separate)电路：当主电源可用时为超级电容器充电的电路；以及当主电源不可用时运行超级电容器的开关电源。
图1中示出了具有单独的充电电路和放电电路的备用电源机构的简单示例。当主电源(未示出)可用时，由该电源产生Vcc。在这段时间中，开关102闭合，允许超级电容器104经由电流源103充电。电流源103包括电阻器、主动电流源(active current source)、开关电源(switching supply)或其他机构。开关106在充电期间断开。调节开关102以在超级电容器104上保持固定的(最大)电压。这通常由控制结构(未示出)执行。
当主电源缺失时，开关102断开且开关106被调节，以从超级电容器104经由电感器108和二极管110向Vcc传送能量。通过主电源(未示出)的输出电容器执行输出滤波。这样，具有单独的充电电路和放电电路。为充电和放电使用单独的电路需额外的部件数量，由此会增大成本、印刷电路板(PCB)的布局面积和重量。
当二极管110两端具有开关从而形成同步整流器时，可以实现更高的效率。在图2中示出了具有该附加元件的电路。开关202与二极管110并联连接。但是，图2的电路具有单独的充电电路和放电电路。
现有技术中的超级电容器充电方案仅具有简单的充电机构，其中超级电容器直接放置在电压的两端，这使得在充电开始时可能会有非常大的电流。
因此需要提供一种基于超级电容器的备用电源系统，该备用电源系统能够使部件数量最小化，提供高效的输出电压生成，以及提供对超级电容器的受控(电压源的瞬时电流需求受到限制)且高能效的充电。
发明内容
本发明通常涉及在电源备用的情况中使用的超级电容器的充放电。
本发明的目的是消除或减轻现有技术中用于为超级电容器充放电的电路的至少一个缺陷。
根据本发明的一方面，提供一种备用电源系统。该系统包括超级电容器，以及用于为超级电容器充放电的单个(single)电路。该单个电路包括具有电感器的路径(path)，该电感器在以充电模式运行时用于充电，而在以备用模式运行时用于放电。
根据本发明的另一方面，提供一种备用电源系统。该系统包括超级电容器、电感器、和电感器一起运行用于为超级电容器充放电的单个电路，以及用于监视和控制该单个电路的控制器。
本发明的该发明内容不必描述本发明的所有特征。
附图说明
根据以下参考附图做出的描述，本发明的这些和其他特征将变得更明显，在这些附图中：
图1是示出了现有技术中基于超级电容器的备用电源电路的示意图；
图2是示出了另一基于超级电容器的备用电源电路的示意图；
图3是示出了根据本发明实施例的基于超级电容器的备用电源电路的示意图；
图4是示出了根据本发明另一实施例的基于超级电容器的备用电源电路的示意图；
图5是示出了根据本发明再一实施例的基于超级电容器的备用电源电路的示意图；
图6是示出了根据本发明实施例的控制电路的示例的示意图；以及
图7是示出了根据本发明再一实施例的基于超级电容器的备用电源电路的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种备用电源，其由用于超级电容器的单个充放电电路实现。该电路与带有单独的充电电路和放电电路相比，部件的数量减少。在下面的描述中，术语“连接(被连接)”用于指示两个或多个元件彼此直接或间接地相接触。
图3示出了根据本发明实施例的基于超级电容器的备用电源。图3的备用电源电路300包括：开关302和304、二极管305和306、电感器308，以及超级电容器310。开关302与二极管305并联连接。开关304与二极管306并联连接。电感器308和超级电容器310可以分别与图2的电感器108和超级电容器104相同或类似。应该注意，图3在某种程度上是概念性的，在图3所示的电路周围还可包括其他电路。
二极管306用作所谓的续流二极管(free-wheeling diode)。开关302、电感器308和二极管306的组合提供了开关电源(switching powersupply)或所谓的降压变换器(buck converter)，其可以用于为超级电容器310充电。由于该电路300能用于充电，电流源和其控制开关(图2的103和102)变得多余。因此，电路300不使用图2的电流源103和其开关102。电路300用于在没有电流源和其开关的情况下为超级电容器310充放电。在电路300中，磁性元件，即电感器308以双向模式运行。
当Vcc由主电源(未示出)产生时，电路300处于充电模式。在充电模式中，开关302被调节，以将超级电容器310充电到理想的电平，即电能从Vcc流向超级电容器310。在充电模式中，此时开关304通常维持断开。但是，为了提高效率，在二极管306的续流时间期间，开关304可以闭合。在这种情况下，开关304充当了同步整流器。
当检测到缺少产生Vcc的主电源时，电路300处于备用(放电)模式。在备用模式中，调节开关304使得电能从超级电容器310流向Vcc。在备用模式中，开关302用作同步整流器，且在电感器308的回扫时间的期间内闭合。
在实施例中，向电路300提供控制器，以监视主电源、超级电容器电压、输出电压(Vcc)、电感器电流(如果要实现电流模式控制)，或它们的组合，然后基于监视值控制充放电电路的运行(例如图4-6)。
在一个示例中，控制器监视主电源，并在主电源可用时，启用超级电容器的充电机构(充电模式)。在充电模式中，控制器监视超级电容器310两端的电压，并运行开关302和304连同电感器308，以形成降压变换器(具有同步整流器)。在这种情况下，能量从Vcc流向超级电容器。
当主电源缺失时，那么控制器切换至备用模式。在备用模式中，控制器监视电压Vcc，并运行开关302和304连同电感器308，以形成升压变换器(具有同步整流器)。在这种情况下，能量从超级电容器流向Vcc。
在充电或备用模式中，控制器可实现电流模式控制。电流模式控制利用内控制环限制电感器308的峰值或平均电流，这将导致与电压模式控制的开关模式电源相比，很明显地移动与电感器308相关的电极。由此产生的级数减少了的传递函数便于更好地对电源进行动态响应，并使得对电源的补偿更加容易。对于这样的控制来说，控制器包括在电流控制模式中监视电感器308的电流的机构。电流模式控制中的电感器电流的内在控制在以固定速率对电容器充电的概念下工作良好。电路300可以使用电压模式控制来控制输出电压。
电路300适用于电源电压Vcc大于或等于最大允许的电容器电压的结构。但是，本领域技术人员很好理解，可以重新构造电路300，以支持小于最大超级电容器电压的Vcc。这样，提供了为超级电容器充电的升压电路，以及在备用中供给Vcc的降压电路，即双向功率流经过一个共同的机构。
图4示出了根据本发明另一实施例的基于超级电容器的备用电源。图4中基于超级电容器的备用电源电路40 1与图3的电路300相似。电路401包括开关402和404、二极管405和406、电感器408，和超级电容器4 10。二极管405和406与图3的二极管305和306对应。电感器408可以和图3的电感器308相同或相似。超级电容器410可以和图3的超级电容器310相同或相似。开关402和404对应于图3的开关302和304。但是，在该实施例中，开关402和404是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在该描述中，术语“开关402(404)”和“MOSFET 402(404)”可互换使用。
在一个示例中，二极管405和406可以分别是MOSFET 402和MOSFET 404的固有二极管。在另一示例中，二极管405和406可以分别是与MOSFET 402和MOSFET 404的固有二极管并联连接的外部肖特基二极管。肖特基二极管可以在相应的MOSFET完全导通所花费的时间期间提供电流路径。该肖特基二极管具有比MOSFET结构固有的并联二极管低的正向电压，其用于功率整流应用情况时效率很高。
二极管405和406、开关402和404以及电感器电流感测机构可以集成到具有控制器412的IC封装(集成电路)中。控制器412可以任何恰当的形式实现。电感器408和超级电容器410可以位于任何集成电路的外部。
为了控制器412可以提供所需的功能，它接收各种信号作为输入并对这些信号作出响应。在图4中示出了根据本发明实施例的这些信号。控制器412使用“～MODE”控制信号414来提供充电和备用模式之间的自动转换(automatic switchover)。在一个示例中，“～MODE”信号414是比较器(例如图6的600)的模拟输入，其中比较器以适用于TTL的电压或一些其他逻辑电平作为参考。这允许从另一电路或从主输入电源的缩放形式驱动～MODE 414。在最简单的实现中，电阻性分压器可以将主输入电压按比例缩放送入比较器的输入端，并且可以按比例缩放至小于最小输入电压，允许在非预期的供电消失的情况下作为备用。当不对超级电容器电压进行抽样时，即当处于备用模式时，“V_CAPACITOR”信号416是JFET输入(低输入电流)，“V_CAPACITOR_COMMON”信号418是高阻抗。“～ENABLE”信号424是启动该设备全部功能的信号。
正如在电流模式控制中所需要的，I_SENSE信号420是允许电流输入的一个单个输入。在该实施例中，流经电感器408的电流是在电流检测端(current sense)422处测量的。实际上可根据电路的拓扑结构，在几个地点处测量该电流。假如使用电流模式控制，那么控制器412的电流检测机构接受双向电流。在该实施例中，该电路在高频处运行，允许使用较小的电感器。为了实现电路简单，控制器412的内部参考电压可以小于Vcc和超级电容器410的最大电压。
电路401适用于供应电压Vcc大于或等于最大允许的电容器电压的结构。在替换的实施例中，Vcc低于最大允许的电容器电压。在该种情况下，图4的充放电电路401的拓扑结构被反转，使得升压电路为电容器充电，降压电路从电容器电压中产生Vcc。
图5示出了根据本发明另一实施例的超级电容器备用电源电路。图5中示出的结构适用于具有双向功率流的超级电容器备用电源，在该电源中Vcc大于最大超级电容器电压。该电路的控制器元件包括二极管、用于充放电机构的电源开关、电流检测器、电压检测器，以及支持双模式电源的运行的电路。控制器元件可以在集成电路(参照集成电路502)内工作。超级电容器504和电感器506位于集成电路502的外部。
超级电容器504可以与图3的超级电容器310或图4的超级电容器410相同或类似。电感器506可以与图3的电感器308或图4的电感器408类似。
图5的电路具有的电阻网络与图4的相类似。具有电阻器530和532的电阻网络设置在集成电路502和节点534之间，其中节点534是超级电容器504和电感器506的连接节点。在Vcc和集成电路502之间设置具有电阻器536和538的电阻网络。
在图5中，仅示出了反馈路径的电阻性元件，其设定DC电势。图5的电路包括两个反馈路径，根据超级电容器504被充电(即充电模式)还是放电(即备用模式)，激活其中一个反馈路径。通过在这些电阻器上增加电容器实现补偿以提供频谱整形，从而实现电路在充电和备用模式中的稳定运行。本领域技术人员可以理解，根据电路的期望运行特性，可形成更复杂的反馈机构。
在图5中，集成电路502包括多个管脚，用于INDUCTOR信号510、V_CAPACITOR信号512、V_CAPACITOR_COMMON信号514、～ENABLE信号516、～MODE信号518、VCC信号520、V_SENSE信号522和GROUND信号524。INDUCTOR信号510、V_CAPACITOR信号512、V_CAPACITOR_COMMON信号514、～ENABLE信号516、～MODE信号518和V_SENSE信号522可以分别与图4中的I_SENSE信号420、V_CAPACITOR信号416、V_CAPACITOR_COMMON信号418、～ENABLE信号424、～MODE信号414，以及V0_SENSE信号相类似。
图6示出了根据本发明一实施例的控制电路的示例。图6的电路的接脚分布与图5的控制器相类似。在图6中，示出除～ENABLE信号516外与集成电路502相关的信号作为示例。图6的电路是基本的电流模式控制，并且为了简单起见，未示出控制环的补偿(反馈)元件。
～MODE输入518用于限定电路的运行模式(充电或备用)，以及选择通过开关606进入内电流环的电压误差放大器(即602或604)的电源。比较器600将～MODE输入518和某一电压比较，并操作开关606。比较器608将开关606的输出和“ISENSE”电路616的输出作比较。
电路616包括电阻器617以及幅值和电平移动电路618。电路616测量流经连接在INDUCTOR节点510处的电感器的电流。在该实施例中，该测量是高侧测量，检测元件不参考接地电势。因此电路616包括将测量值传送至参考接地电势的比较器608的机构，以实现电流模式控制。电流的幅值运行比较器608。当电感器电流达到阈值，例如其电流模式的峰值电流时，则激活电流模式。
锁存器610包括与时钟电路612连接的“S”节点、与比较器608的输出端连接的“R”节点，以及与栅极驱动电路614连接的“Q”节点。栅极驱动电路614为运行模式(充电或备用)选择正确的开关操作，包括同步整流器的操作。在图6中，栅极驱动电路614驱动开关620，622和624。
在超级电容器充电模式期间，开关620导通。在备用模式中，开关620关断，因此具有图5的电阻器530和532的电阻器网络不会释放能量，以便使可用的备用时间最大化。考虑到释放的能量趋于很小，因此可以稍微减少备用时间为代价，去除开关620。
ISENSE电路(616，618)的属性取决于如何构造电路。如果利用离散的部件建造该电路，那么电流互感器(current transformer)是最简单的机构。为了用硅实现，IC设计者需要能进行高侧电流测量的技术。
在上述实施例中，主电源具有足够的支持时间，使得备用电源(即图3的超级电容器310或图4的410)能够检测到缺失的输入功率并从充电模式进入备用模式。
在另一实施例中，可在同步整流器中使用MOSFET的固有二极管。
在另一实施例中，提供额外的输入来设定用于为超级电容器充放电以及对控制环进行补偿的峰值电感器电流。
图7示出了根据本发明另一实施例的基于超级电容器的备用电源电路。图7的备用电源电路700适用于电源电压Vcc小于或等于最大允许电容器电压的结构。
电源电路700包括开关702和704、二极管705和706、电感器708，以及超级电容器710。开关702和二极管705并联连接。开关704和二极管706并联连接。电感器708和超级电容器710可以分别与图3的电感器308和超级电容器304相同或类似。在备用电源电路700中，在电感器708和超级电容器710之间设置有开关702和二极管705。电感器708连接至Vcc节点。
在充电模式中，开关704是用于升压的功率开关，并且开关702充当了同步整流器。在备用模式中，开关702是用于降压的功率开关，并且开关704充当了同步整流器。
本领域技术人员可以理解，基于备用电源电路的拓扑结构不限于图3、4和7中的内容，可以设想出其他拓扑结构。
已经结合一个或多个实施例描述了本发明。但是，对于本领域技术人员来说，很明显的是，在不脱离权利要求限定的本发明保护范围的情况下能够作出各种变形和修改。

Claims (21)

1.一种用作备用电源的系统，所述系统包括：
超级电容器；以及
用于为所述超级电容器充电和放电的单个电路，所述单个电路包括：
电感器，所述电感器连接到所述超级电容器并以双向能量流模式运行用于为所述超级电容器充放电，使得能量以充电模式在第一方向上流动，并且使得能量以放电模式在不同于所述第一方向的第二方向上流动；
连接在所述电感器和一个电势节点之间的第一开关；以及
连接到所述电感器并且能够使得电能从所述超级电容器流向所述电势节点的第二开关，
所述第一开关被调制为当在所述电势节点处电源可用时，经由所述电感器为所述超级电容器充电，
所述第二开关被调制为当在所述电势节点处电源缺失时，连同所述电感器为所述超级电容器放电。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述单个电路包括：
与所述第一开关并联的第一二极管；
3.如权利要求1所述的系统，其中所述单个电路包括：
与所述第二开关并联的第二二极管。
4.如权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述第一开关和所述第二开关中的至少一个是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述第一二极管是所述金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的固有二极管。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述第一二极管是肖特基二极管。
7.如权利要求3所述的系统，其中所述第二二极管是所述金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的固有二极管。
8.如权利要求3所述的系统，其中所述第二二极管是肖特基二极管。
9.如权利要求1所述的系统，进一步包括用于控制所述第一开关和所述第二开关的控制器。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器操作所述第一开关和所述第二开关连同所述电感器，以形成具有同步整流器的降压变换器。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器操作所述第一开关和所述第二开关连同所述电感器，以形成具有同步整流器的升压变换器。
12.如权利要求9所述的系统，其中所述第一开关和所述第二开关中的至少一个以及所述控制器是在集成电路中形成的。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述单个电路依据所述单个电路处于充电模式还是降压模式，而形成降压变换器或升压变换器。
14.如权利要求13所述的系统，进一步包括用于形成所述降压变换器或所述升压变换器的控制器。
15.如权利要求9所述的系统，其中所述系统具有多个模式，包括用于充电的充电模式和用于放电的备用模式，其中所述控制器监视一个电势的初级电源、所述超级电容器电压、所述电势、所述电感器的电流、或它们的组合，并基于一个或多个监视的结果来控制所述单个电路的模式。
16.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器包括用于监视流过所述电感器的电流的监视器。
17.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器的电路位于集成电路上。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述集成电路将电流检测信号作为其输入。
19.如权利要求9所述的系统，其中所述控制器具有电流控制模式、电压控制模式或其组合。
20.如权利要求2所述的系统，其中所述第一二极管、所述第一开关和所述第二开关中的至少一个，以及用于控制所述单个电路的操作的控制器被形成在集成电路中。
21.如权利要求3所述的系统，其中所述第二二极管、所述第一开关和所述第二开关中的至少一个，以及用于控制所述单个电路的操作的控制器被形成在集成电路中。
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