CN102253705A - 一种基于超级电容器的台式计算机供电电源装置 - Google Patents

Abstract

一种基于超级电容器的台式计算机供电电源装置，用于串联在低压交流供电系统与计算机负载之间。它在常规台式计算机供电电源的基础上，在各直流电压输出端并联超级电容器及其充放电电路模块。当交流供电系统供电电压正常时，各充放电电路对相应超级电容器充电，将电能进行存储；当交流供电系统供电电压发生跌落时，相应超级电容器通过各充放电电路释放电能，维持各直流输出端的电压恒定。该基于超级电容器的台式计算机供电电源装置能极大提高台式计算机的抗电压跌落能力，避免电压跌落引起台式计算机停止工作而造成的损失；利用超级电容器作为储能装置能克服传统储能手段造成的环境污染问题；同时该装置结构简单、控制方便，具有很高的实用价值。

Description

一种基于超级电容器的台式计算机供电电源装置

技术领域

本发明涉及台式计算机供电电源的技术领域，尤其是涉及一种基于超级电容器的台式计算机供电电源装置。

背景技术

供电电压跌落被定义为幅值降至正常供电电压10%-90%，持续时间为0.5到30周波，但不超过1秒的暂态电压质量问题。随着现代科技的发展，各种敏感性用电设备的使用越来越广泛，对供电系统的电压质量的要求越来越高，几个周期的电压跌落可能将会对这些设备的正常运行造成很大的影响，甚至造成无法挽回的损失。因此，电压跌落问题越来越受到国内外广大科研工作者和用户的普遍关注。

在发生供电电压跌落时，常规台式计算机的供电电源仅依靠整流桥输出端并联的直流电容存储的能量来维持输出直流电压，但该直流电容所能提供的能量很小，使得台式计算机的抗电压跌落能力较差。研究表明，一旦交流系统电压有效值跌落至120V（正常时为220V），持续时间仅5个周波，计算机供电电源各路直流输出电压均将降至0，使得台式计算机停止运行，用户无法及时保存当前工作内容，损失重大甚至无法挽回。

目前也有采用不间断电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）等技术手段来提高计算机的抗电压跌落能力，取得了较好的效果，但这些技术手段普通存在的问题是：1）价格昂贵。这些技术普通采用蓄电池等作为能量存储设备，而大容量高性能的蓄电池等设备的价格昂贵。2）不环保。这些技术手段的储能设备中大量采用的铅、镉等重金属材料，一方面对使用人员的健康造成威胁，也给环境造成了重大污染。3）使用寿命短。这些技术所采用的储能设备充放电次数极为有限，使用寿命短，需要经常维护更换。4）体积大，占地面积大。这些技术手段所采用的电力电子补偿装置及储能装置的体积较大，同时还需配备诸如散热冷却辅助设备，造成占地面积较大。因此，对于个人应用的台式计算机而言，这些技术手段性价比较差而不适用。

超级电容器（Super Capacitor）是近年来出现的一种新型的储能器件，其具有如下优点： 1）功率密度大。超级电容器的功率密度可以达到铅酸蓄电池的20倍，适合大功率输入和输出。2）充放电时间短。其充放电时间常数很小，充放电的速度可以很快，能够在几分钟甚至几十秒之内完成快速充放电。3）能量损耗小。超级电容器的在充放电过程中能量损耗很小，充放电效率很高。它的充放电效率不低于90%。而蓄电池的效率则只有70%-85%。4）使用寿命长。由于超级电容器的充放电过程只发生物理变化，它的充放电循环次数可以达到五十万次以上，寿命几乎可以被认为是无限的。5）不污染环境。超级电容器的电极材料不含铅、镉等重金属材料，不会对使用人员的健康造成威胁，也不会污染环境。而且超级电容器工作中没有运动部件，在使用过程中不会带来噪声污染，几乎不需要维护工作，非常安全可靠。6）使用灵活。超级电容器可以任意串并联使用。若想增加电容量，可以任意并联使用；若想提高电压等级，可以串联使用，只需采用相应均压措施。

随着科技的发展，技术的进步，超级电容器的价格也不断降低，应用的范围也越来越广，主要包括：1）汽车领域。它可作为电动汽车的唯一动力源，也可与蓄电池、燃料电池等设备混合使用，作为混合动力汽车的辅助电源。2）军事领域。超级电容器可以和高能量密度的电池组成“致密性超高功率脉冲电源”。在温度很低的恶劣环境下，蓄电池等电源不能正常工作，超级电容器可作为低温启动电源，给军用车辆提供动力。3）工业领域。超级电容器可以作为后备电源用在UPS等应急保障系统中，提高系统的可靠性，并且可以节约成本，减小占用空间。4）电力系统领域。超级电容器可作为分布式发电系统的储能装置。分布式发电设备的输出功率不可预测，很不稳定，超级电容器可以发挥它的极高的储能效率、极大的功率密度、极长的使用寿命等优点进行储能。超级电容器还可以用于电网的“移峰填谷”。5）电能质量领域。当电网或配电网出现电压跌落等电能质量问题时，超级电容器可以通过逆变器及时输出补偿功率，以保证敏感用电设备的正常工作。

因此，采用超级电容器作为储能装置，并配备相应的充放电电路，设计新型的台式计算机供电电源装置，则能充分利用超级电容器的优点，一方面能提高台式计算机供电电源的抗电压跌落能力，避免电压跌落对台式计算机正常使用造成的影响。另一方面能完全消除对环境的污染。如何基于超级电容器实现台式计算机供电电源装置，则是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种台式计算机的供电电源装置，解决目前台式计算机供电电源抗电压跌落能力差的问题，避免传统电压跌落治理措施中需要常规蓄电池而对环境造成的污染。

本发明的技术方案是一种基于超级电容器的台式计算机供电电源装置，包括输入为交流220V低压供电的常规台式计算机供电电源模块，常规台式计算机供电电源模块的+5V输出端连接台式计算机的+5V负载，常规台式计算机供电电源模块的+12V输出端连接台式计算机的+12V负载、常规台式计算机供电电源模块的-12V输出端连接台式计算机的-12V负载，常规台式计算机供电电源模块的+3.3V输出端连接台式计算机的+3.3V负载；设置+5V超级电容器及其充放电模块、+12V超级电容器及其充放电模块、-12V超级电容器及其充放电模块和+3.3V超级电容器及其充放电模块；+5V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的+5V输出端，+12V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的+12V输出端，-12V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的-12V输出端，+3.3V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的+3.3V输出端；

所述+5V超级电容器及其充放电模块、+12V超级电容器及其充放电模块、-12V超级电容器及其充放电模块和+3.3V超级电容器及其充放电模块分别包括超级电容器、充放电电路和测量控制电路，超级电容器、充放电电路和常规台式计算机供电电源模块的相应输出端依次电连接，常规台式计算机供电电源模块的相应输出端、测量控制电路和充放电电路依次电连接。

而且，所述充放电电路采用双向DC-DC变换器结构。

本发明的基于超级电容器的台式计算机供电电源装置充分利用了超级电容器充放电快、功率密度大的优点，能在交流系统出现电压跌落时迅速提供足够的电能，以维持台式计算机直流输出电压的稳定，极大提高了台式计算机的抗电压跌落能力；充分利用了超级电容器无污染、充放电次数不受限的优点，完全避免了常规储能技术给环境造成的污染，绿色环保；同时在各直流输出电压端分别并联了结构和控制原理相同的超级电容器及其充放电控制模块，既能方便地实现对现有常规计算机供电电源的改造，也能方便地构成集成一体化的新型台式计算机供电电源，结构简单而易于实现。本发明具有极强的实用性和广阔的市场推广前景。

附图说明

图1 是本发明实施例的结构示意图；

图2 是本发明实施例的电路原理图；

图3 是本发明实施例的测量控制模块的充电控制方法原理框图；

图4 是本发明实施例的测量控制模块的放电控制方法原理框图；

图5 是本发明实施例的超级电容器充电过程中端电压波形图；

图6是本发明实施例的电压跌落时+12V直流电压波形图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

如图1所示，实施例所提供的基于超级电容器的台式计算机供电电源装置，包括输入为交流220V低压供电的常规台式计算机供电电源模块1，常规台式计算机供电电源模块的+12V 、-12V、+5V和+3.3V输出端分别与相应的计算机负载电连接。具体来说，常规台式计算机供电电源模块1的+5V输出端连接台式计算机的+5V负载3，常规台式计算机供电电源模块1的+12V输出端连接台式计算机的+12V负载5、常规台式计算机供电电源模块1的-12V输出端连接台式计算机的-12V负载7，常规台式计算机供电电源模块1的+3.3V输出端连接台式计算机的+3.3V负载9。实施例还设置了+5V超级电容器及其充放电模块2、+12V超级电容器及其充放电模块4、-12V超级电容器及其充放电模块6和+3.3V超级电容器及其充放电模块8。由低压交流供电系统0提供交流220V低压输入到常规台式计算机供电电源模块1。

低压交流供电系统0的交流电能通过常规台式计算机供电电源模块1转换为直流电能，常规台式计算机供电电源模块1可输出+5V、+12V、-12V和+3.3V电压，并分别向台式计算机的+5V负载3、+12V负载5、-12V负载7和+3.3V负载9供电。+5V超级电容器及其充放电控制模块2，+12V超级电容器及其充放电控制模块4，-12V超级电容器及其充放电控制模块6和+3.3V超级电容器及其充放电控制模块8分别并联于常规台式计算机供电电源模块1的+5V、+12V、-12V和+3.3V输出端。具体来说，+5V超级电容器及其充放电模块2并联于常规台式计算机供电电源模块1的+5V输出端，+12V超级电容器及其充放电模块4并联于常规台式计算机供电电源模块1的+12V输出端，-12V超级电容器及其充放电模块6并联于常规台式计算机供电电源模块1的-12V输出端，+3.3V超级电容器及其充放电模块8并联于常规台式计算机供电电源模块1的+3.3V输出端。当低压交流供电系统0的电压正常时，各超级电容及其充放电模块2、4、6、8通过相应直流输出端充电，存储电能；当低压交流供电系统0的电压发生跌落时，各超级电容及其充放电模块2、4、6、8释放电能，维持相应直流输出端的电压稳定。

所述+5V超级电容器及其充放电模块2、+12V超级电容器及其充放电模块4、-12V超级电容器及其充放电模块6和+3.3V超级电容器及其充放电模块8的结构类似，均包括超级电容器、充放电电路和测量控制电路，超级电容器、充放电电路和常规台式计算机供电电源模块1的相应输出端依次电连接，常规台式计算机供电电源模块1的相应输出端、测量控制电路和充放电电路依次电连接。具体来说，+5V超级电容器及其充放电模块2包括超级电容器、充放电电路和测量控制电路，超级电容器、充放电电路和常规台式计算机供电电源模块1的+5V输出端依次电连接，常规台式计算机供电电源模块1的+5V输出端、测量控制电路和充放电电路依次电连接；+12V超级电容器及其充放电模块4包括超级电容器、充放电电路和测量控制电路，超级电容器、充放电电路和常规台式计算机供电电源模块1的+12V输出端依次电连接，常规台式计算机供电电源模块1的+12V输出端、测量控制电路和充放电电路依次电连接；-12V超级电容器及其充放电模块6包括超级电容器、充放电电路和测量控制电路，超级电容器、充放电电路和常规台式计算机供电电源模块1的-12V输出端依次电连接，常规台式计算机供电电源模块1的-12V输出端、测量控制电路和充放电电路依次电连接；+3.3V超级电容器及其充放电模块8包括超级电容器、充放电电路和测量控制电路，超级电容器、充放电电路和常规台式计算机供电电源模块1的+3.3V输出端依次电连接，常规台式计算机供电电源模块1的+3.3V输出端、测量控制电路和充放电电路依次电连接。

本发明实施例的工作原理是：当交流系统供电电压正常时，常规台式计算机供电电源模块1的各直流电压输出端直流电压可保持在要求范围内，相应的计算机负载3、5、7、9通过常规台式计算机供电电源模块1的各直流电压输出端供电。各超级电容器及其充放电模块2、4、6、8中的测量控制电路控制相应的充放电电路，由各直流电压端向超级电容器充电，进行电能存储，当各超级电容器的电压达到预设值后将停止充电。当交流系统供电电压发生电压跌落时，常规台式计算机供电电源模块1的各直流电压输出端电压将出现下降，各超级电容器及其充放电模块2、4、6、8中的测量控制电路检测到该电压变化后，控制充放电电路使得超级电容放电，此时各超级电容器与常规台式计算机供电电源模块1的各直流电压输出端一起向相应的计算机负载3、5、7、9提供电能，以维持相应的直流电压稳定，避免直流电压下降超出要求范围。

结合附图2简要说明常规台式计算机供电电源模块1的工作原理。常规台式计算机供电电源模块主要包括一次整流电路11、开关电路12、开关电路控制电路P11、+5V二次整流电路16、+12V二次整流电路15、-12V二次整流电路14和+3.3V二次整流电路13。交流系统的交流电通过一次整流电路11中的整流桥Z11转换为直流，并通过并联电容器C11转换为脉动很小的直流电，送至开关电路12。开关电路12中的开关电路控制电路P11对+5V输出端的直流电压进行测量，并与标准电压（+5V）进行比较，根据比较结果控制开关管K11的开通和关断。开关电路12中的变压器T11为多副边绕组变压器，可同时输出+5V、+12V、-12V和+3.3V电压，各副边输出的电压通过+5V二次整流电路16、+12V二次整流电路15、-12V二次整流电路14和+3.3V二次整流电路13即可得到相应所需要的直流电压。常规台式计算机供电电源的设计和控制已是成熟通用的技术，本发明实施例采用该技术，不涉及对其的任何改进。

结合附图2说明本发明实施例所采用的超级电容器及其充放电模块的工作原理。在常规台式计算机供电电源模块1的+5V输出端、+12V输出端、-12V输出端和+3.3V输出端（分别以U ₊₅、U ₊₁₂、U _-12和U _+3.3电压所在的位置标识）分别并联有+5V超级电容器及其充放电控制模块2，+12V超级电容器及其充放电控制模块4，-12V超级电容器及其充放电控制模块6和+3.3V超级电容器及其充放电控制模块8。由于上述各模块的内部结构和控制方法完全相同，仅控制目标（需稳定的电压）数值不同，因此以下以实施例的+5V超级电容器及其充放电控制模块2为例进行说明。

+5V超级电容器及其充放电控制模块2中包括有超级电容器22、充放电电路21和测量控制电路P21。超级电容器22使用电阻R21和理想电容器C21串联模型，电阻R21代表其内阻。充放电电路21采用双向DC-DC变换器结构，包括了开关管K21和K22，续流二极管D211和D212，以及电感L21。测量控制电路P21可以采用单片机实现，通过单片机软件技术控制开关管K21和K22的开关状态，从而提供放电控制方法和放电控制方法。双向DC-DC变换器的工作模式已有很多文献资料进行了介绍，结合附图2简要说明如下：

当超级电容器22充电时，开关管K21以一定的占空比导通，开关管K22恒关断，开关管K21和续流二极管D212构成降压斩波电路（Buck电路）。在一个开关周期内，当开关管K21导通时，电流经由+5V电压 “+”端、开关管K21、电感L21、超级电容器22和+5V电压 “-”端构成的回路流通，此时电能从+5V电压端流向超级电容器22，同时电感L21储存部分能量；当开关管K21关断时，电流经由电感L21、超级电容器22和续流二极管D212构成的回路流通，由电感L21储存的电能继续向超级电容器22充电。

当超级电容器22放电时，开关管K22以一定的占空比导通，开关管K21恒关断，开关管K22和续流二极管D211构成升压斩波电路（Boost电路）。在一个开关周期内，当开关管K22导通时，电流经由超级电容器22、电感L21和开关管K22构成的回路流通，超级电容器释放电能并存储于电感L21中。当开关管K22关断时，电流经由+5V电压 “-”端，超级电容器22、电感L21、续流二极管D211和+5V电压 “+”端构成的回路流通，此时电感L21中储存的电能流向+5V电压端。

当超级电容器22不进行放电和充电时，开关管K22和开关管K21均保持关断，超级电容器22处于备用保持状态。

结合附图3，并以+5V超级电容器及其充放电控制模块2为例来说明各超级电容器及其充放电模块2、4、6、8中测量控制电路所采用的充电控制方法。超级电容器充电时，采用了电流型PWM（脉冲宽度调制）控制方式。测量控制电路P21求得超级电容器22充电的参考电压U _ref和测得的超级电容器22两端的实际电压U _SC的电压差值，将该电压差值通过PI（比例积分）控制环节和限幅环节，计算得到超级电容器22充电电流的参考值I _ref，并计算与测得的超级电容器22的充电电流实际值I _SC的差值，再通过PI控制环节和限幅环节，将计算所得电流差值与三角波送至PWM发生环节进行比较，得到充电过程中开关K21的控制脉冲S21。在充电过程中开关K22的控制脉冲S22保持为低电平，即使得开关K22恒关断。在上述过程中，参考电压值U _ref可由本领域技术人员根据具体实施时所选用的超级电容器的具体参数进行选取。而PI控制环节、限幅环节以及根据三角载波进行PWM比较生成控制脉冲的方法已是成熟通用的技术。

结合附图4，并以+5V超级电容器及其充放电控制模块2为例来说明各超级电容器及其充放电模块2、4、6、8中测量控制电路所采用的放电控制方法。超级电容器放电时，采用了电压型PWM控制方式。测量控制电路P21求得参考电压U _ref0和测得的+5V电压输出端两端的电压U ₊₅的差值，将该差值通过PI控制环节和限幅环节，将计算所得值与三角波送至PWM发生环节进行比较，得到控制脉冲S221。由于超级电容器要求其两端电压不能低于所要求的最低值，放电时还加入了闭锁环节。即计算测得的超级电容器22两端的电压U _SC与该超级电容器允许工作电压下限值U _low的差值，如该差值大于0，则通过过零比较环节后得到高电平，使得与门（&）打开，开关K22的控制脉冲S22即为脉冲S221；若该差值小于0，则通过过零比较环节后得到低电平，使得与门关闭，则开关K22的控制脉冲S22保持为低电平，使得开关K22保持关断。在放电过程中，开关K21的控制脉冲S21保持为低电平，即使得开关K21恒关断。在上述过程中，参考电压值U _ref0即为+5V（其它各超级电容及其充放电模块4、6和8中的参考值即分别选取为+12V、-12V和+3.3V），而最低工作电压U _low可由本领域技术人员根据所选用的超级电容器的具体参数进行选取。而PI控制环节、限幅环节以及根据三角载波进行PWM比较生成控制脉冲的方法已是成熟通用的技术。

为便于实施参考起见，以下以实施例的+12V超级电容器及其充放电模块4中超级电容器的选取为例来说明超级电容器的选取方法。设某常规台式计算机供电电源+12V直流输出的额定电流为17A，则维持+12V负载正常工作1秒钟所需最大能量为：

（1）

选用某公司生产的150F超级电容器，内阻为11mΩ，直径为30mm，高度为40mm，重量为45g，其工作电压范围为2~2.7V，则最大可释放的能量

为：

（2）

因此，即使系统电压暂降到0V，该超级电容器也可维持电压稳定在12V大约246.75/204=1.2s。而该超级电容器的等效串联电阻为11mΩ，消耗的能量可忽略不计。

通过上述方法选择所需的超级电容器后，在上述充电控制方法中，超级电容器充电的参考电压值U _ref即可选取为超级电容器工作电压范围内的某个值，如上述+12V超级电容器及其充放电模块中充电电压参考值U _ref可选取为2.7V。而在上述放电控制方法中，超级电容器放电的最低工作电压U _low即可选取为超级电容器工作电压范围内的最低值，如上述+12V超级电容器及其充放电模块4中放电时最低工作电压U _low可选取为2V。

附图5为采用上述充电控制方法时，+12V超级电容器及其充放电控制模块4中超级电容器两端的电压波形图，其中横坐标为时间（t），单位为秒（s），纵坐标为电压（U），单位为伏（V）。此时超级电容器充电参考电压选取为2.7V。可以看到，经过约31秒后超级电容器两端测得的实际电压达到2.7V并保持稳定。

附图6为交流系统发生电压跌落，采用上述放电控制方法时+12V直流输出端电压波形，其中横坐标为时间（t），单位为秒（s），纵坐标为电压（U），单位为伏（V）。可以看到，系统电压有效值出现了明显的电压跌落过程，最低电压跌至100V，持续时间超过1s。此时常规台式计算机供电电源模块1的输出直流电压+12V电压已经降为0V，而采用本发明的基于超级电容器的台式计算机供电电源装置后，+12V输出端电压一直保持+12V恒定（附图6中的输入交流电压有效值），说明计算机的抗电压干扰能力大大提高。

因此，本发明的基于超级电容器的台式计算机供电电源装置充分利用了超级电容器充放电快、功率密度大的优点，能在交流系统出现电压跌落时迅速提供足够的电能，以维持台式计算机直流输出电压的稳定，极大提高了台式计算机的抗电压跌落能力；充分利用了超级电容器无污染、充放电次数不受限的优点，完全避免了常规储能技术给环境造成的污染，绿色环保；同时在各直流输出电压端分别并联了结构和控制原理相同的超级电容器及其充放电控制模块，既能方便地实行对现有常规计算机供电电源的改造，也能方便地构成集成一体化的新型台式计算机供电电源。结构简单而易于实行。本发明具有极强的实用性和广阔的市场推广前景。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型。例如当台式计算机供电电源模块可输出+5V、+12V、-12V和+3.3V以外数值的电压时，基于同样原理可以提供相应超级电容器及其充放电模块。因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。

Claims (2)

1.一种基于超级电容器的台式计算机供电电源装置，包括输入为交流220V低压供电的常规台式计算机供电电源模块，常规台式计算机供电电源模块的+5V输出端连接台式计算机的+5V负载，常规台式计算机供电电源模块的+12V输出端连接台式计算机的+12V负载、常规台式计算机供电电源模块的-12V输出端连接台式计算机的-12V负载，常规台式计算机供电电源模块的+3.3V输出端连接台式计算机的+3.3V负载，其特征在于：设置+5V超级电容器及其充放电模块、+12V超级电容器及其充放电模块、-12V超级电容器及其充放电模块和+3.3V超级电容器及其充放电模块；+5V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的+5V输出端，+12V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的+12V输出端，-12V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的-12V输出端，+3.3V超级电容器及其充放电模块并联于常规台式计算机供电电源模块的+3.3V输出端；

所述+5V超级电容器及其充放电模块、+12V超级电容器及其充放电模块、-12V超级电容器及其充放电模块和+3.3V超级电容器及其充放电模块分别包括超级电容器、充放电电路和测量控制电路，超级电容器、充放电电路和常规台式计算机供电电源模块的相应输出端依次电连接，常规台式计算机供电电源模块的相应输出端、测量控制电路和充放电电路依次电连接。

2.如权利要求1所述基于超级电容器的台式计算机供电电源装置，其特征在于：所述充放电电路采用双向DC-DC变换器结构。

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