CN102904306A

CN102904306A - 一种基于超级电容的电源供应系统

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Publication number: CN102904306A
Application number: CN2012103926900A
Authority: CN
Inventors: 李刚; 熊慧; 付亚涛; 林凌
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: CN102904306B

Abstract

一种基于超级电容的电源供应系统，能量检测模块实时检测超级电容当前的电量信息，充电管理模块检测到无线传能传递的电能时向MCU发出充电请求信号；MCU从能量检测模块获取超级电容当前的电量信息，当电量小于阈值时，MCU控制充电管理模块为超级电容充电；超级电容与电源管理模块相连，MCU集成有无线通信功能，电源管理模块输出稳定电压和可变电压，稳定电压作为MCU的工作电压，可变电压为外接用电设备供电。通过采用超级电容作为需要长期工作的电源供电系统的储能元件，并分两路为固定电压和可变电压的负荷供电，大幅度提高了电源效率，采用无线传能的方式进行充电，解决了植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作的设备长期供电的问题。

Description

一种基于超级电容的电源供应系统

技术领域

本发明涉及一种电源供应系统，特别涉及一种植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作设备的电源供应系统。

背景技术

植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作的设备，其电源成为限制其寿命的关键因素。在这类设备中，由于设备无法直接接触，投入使用之后，更换比较困难，当电源供应系统无法工作时，设备就无法继续使用。

对于植入式医疗设备，其电源供应系统无法使用时，病人就只能再次进行手术，给病人带来二次痛苦和手术危险，又加重了病人的经济负担。因此，为植入式医疗设备提供长期稳定的供电是亟待解决的问题。

在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：

1）在植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作设备的电源供应系统中，电能变换所用元件的寿命都比较长，限制电源供应系统寿命的是电能存储元件，电能存储元件电能耗尽或者老化都将无法继续使用；

2）许多植入式医疗设备需要两种电源同时供电：一种为固定电压，例如：MCU的工作电压；另一种为可变电压，例如：刺激信号的输出。直接采用法拉电容作为电源时电压是不稳定的，因而常常采用先从法拉电容输入电压再稳定成固定电压为MCU供电，再从为MCU供电的固定电压变换到预设的可变电压。由于经过了两次电压变换，导致电源系统的效率大幅度降低。

发明内容

本发明提供了一种基于超级电容的电源供应系统，本发明解决了植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作的设备长期供电的问题，并且提高了电源系统的效率，详见下文描述：

一种基于超级电容的电源供应系统，包括：充电管理模块、超级电容、能量检测模块、MCU和电源管理模块；所述能量检测模块实时检测所述超级电容当前的电量信息，所述充电管理模块检测到无线传能传递的电能时向所述MCU发出信号；所述MCU从所述能量检测模块获取电量信息，当所述电量小于阈值时，所述MCU控制所述充电管理模块为所述超级电容充电；所述超级电容与所述电源管理模块相连，

所述MCU集成有无线通信功能，所述电源管理模块输出稳定电压V_OUT和可变电压V_VAR，所述稳定电压V_OUT作为所述MCU的工作电压，所述可变电压V_VAR为外接用电设备供电；其中，

所述电源管理模块包括：第一桥式斩波电路、第二桥式斩波电路、第一电压反馈电路、第二电压反馈电路、PWM逻辑控制电路、时钟发生电路、电压误差放大电路和滤波电路，

可变参考电压通过V_C端与所述MCU相连，所述MCU输出占空比可调的波形，波形经过所述滤波电路变为恒定的电压，作为所述电压误差放大电路的可变参考电压；所述时钟发生电路为所述PWM逻辑控制电路提供时钟，所述PWM逻辑控制电路根据时钟和所述电压误差放大电路的信号产生PWM波形，通过分别控制所述第一桥式斩波电路和所述第二桥式斩波电路的四个开关管的开断，使得所述第一桥式斩波电路和所述第二桥式斩波电路工作在升压、升降压和降压三种状态；所述第一桥式斩波电路和所述第二桥式斩波电路输出所述稳定电压V_OUT和所述可变电压V_VAR；所述第一电压反馈电路和所述第二电压反馈电路将输出端的电压经过分压反馈至所述电压误差放大电路。

所述开关管具体为MOS管。

所述MCU通过外接睡眠端使得所述电源管理模块可以工作在休眠模式。

所述充电管理模块包括：电能耦合模块、整流滤波模块和恒流充电模块，

所述电能耦合模块与无线传能的发射端相匹配并接收电能，经过所述整流滤波电路将接收到的电能变成直流电，然后通过所述恒流充电模块为所述超级电容提供恒流充电方式。

所述MCU具体为集成有无线通信功能的微功耗控制器。

所述可变电压V_VAR的电压值持续大于所述稳定电压V_OUT的电压值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：通过采用超级电容作为需要长期工作的电源供电系统的储能元件，采用无线传能的方式进行充电，解决了植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作的设备供电的问题；电源管理模块通过输出稳定电压实现对MCU的供电；通过输出可控电压实现对外接用电设备供电，且电压范围较宽；本发明安全、无污染，在生产的各个阶段对环境无污染；无线充电，且充电速度特别快，使用过程中能够充电；体积小，功率密度大，无需担心电能耗竭；由于固定输出电压和可变输出电压分开供电，特别是可变输出电压供电能量远大于固定输出电压供电能量时可以大幅度提高电源效率，避免常规的二次电压变换所造成的损失，延长了各种长期工作设备的寿命。

附图说明

图1为本发明的工作示意图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明的充电管理模块原理框图；

图4为本发明的电源管理模块电路设计图。

附图中所列部件列表如下所示：

1：充电管理模块； 2：超级电容；

3：能量检测模块； 4：MCU；

5：电源管理模块； 6：电能耦合模块；

7：整流滤波模块； 8：恒流充电模块；

9：第一桥式斩波电路； 10：第一电压反馈电路；

11：第一门极驱动电路； 12：PWM逻辑控制电路；

13：时钟发生电路； 14：电压误差放大电路；

15：第二电压反馈电路； 16：滤波电路；

17：第二门极驱动电路； 18：第二桥式斩波电路；

V_OUT：稳定电压； V_VAR：可变电压；

V_REF：参考电压； V_C：可变参考电压控制端；

Sleep：睡眠端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

超级电容（Super-capacitor），又叫双电层电容(Electric Double-layerCapacitor)、黄金电容或法拉电容，是一种新型的储能装置。超级电容产品的原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染；超级电容采用物理方式存储大量电能，不存在泄漏的危险，安全系数高，长期使用免维护；超级电容还具有高循环次数和远高于一般电池寿命的特点，深度充放电循环次数可高达50万次，且无记忆效应，寿命一般可达10年以上；超级电容的功率密度高，工作温度范围宽，充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上；超级电容电量与电压成线性关系，电量检测方便。超级电容作为需要长期工作的电源供电系统的储能元件具有不可比拟的优势。

为了解决植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作的设备长期供电的问题，并且提高电源系统的效率，本发明实施例提出了一种基于超级电容的电源供应系统，包括：充电管理模块1、超级电容2、能量检测模块3、集成有无线通信功能的MCU4和电源管理模块5；

能量检测模块3实时检测超级电容2当前的电量信息，充电管理模块1检测到无线传能传递的电能时向MCU4发出信号；MCU4从能量检测模块3获取电量信息，当电量小于阈值时，MCU4控制充电管理模块1为超级电容2充电；超级电容2与电源管理模块5相连，电源管理模块5输出稳定电压V_OUT和可变电压V_VAR，稳定电压V_OUT作为MCU4的工作电压，可控电压V_VAR为外接用电设备供电；其中，

电源管理模块5包括：第一桥式斩波电路9、第二桥式斩波电路18、第一电压反馈电路10、第二电压反馈电路15、PWM逻辑控制电路12、时钟发生电路13、电压误差放大电路14和滤波电路16，

可变参考电压通过V_C端与MCU4相连，MCU4输出占空比可调的波形，波形经过滤波电路16变为恒定的电压，作为电压误差放大电路14的可变参考电压；时钟发生电路13为PWM逻辑控制电路12提供时钟，PWM逻辑控制电路12根据时钟和电压误差放大电路14的信号产生PWM波形，通过分别控制第一桥式斩波电路9和第二桥式斩波电路18的四个开关管的开断，使得第一桥式斩波电路9和第二桥式斩波电路18工作在升压、升降压和降压三种状态；第一桥式斩波电路9和第二桥式斩波电路18输出稳定电压V_OUT和可变电压V_VAR；第一电压反馈电路10和第二电压反馈电路15将输出端的电压经过分压传送至电压误差放大电路14。

其中，电压误差放大电路14的参考电压有两个，一个为稳定的参考电压V_REF，其为固定电压输出部分提供稳定的参考电压，一个为可变的参考电压V_C。

其中，通过上述的电路设计增大了电源管理模块5的电压输入范围，使超级电容2的能量得到更加充分的利用，当采用MOS管作为桥式斩波电路的开关管时，开通和关断时所需要的电流较少，提高电路电能的转换效率。

即当需要的输出电压低于输入电压时，控制第一桥式斩波电路9和第二桥式斩波电路18桥式斩波电路处于降压斩波状态；当需要的输出的电压等于输入的电压时，控制第一桥式斩波电路9和第二桥式斩波电路18桥式斩波电路处于升降压斩波状态；当需要的输出电压高于输入电压时，第一桥式斩波电路9和第二桥式斩波电路18桥式斩波电路处于升压斩波状态。

实际应用时通过控制输入电压、开关管和桥式斩波电路，实现可变电压V_VAR的电压值持续大于稳定电压V_OUT的电压值，还可以大幅度提高电源效率，避免常规的二次电压变换所造成的损失。

其中，电源管理模块5还能够工作在休眠模式，当可调电压输出部分不使用的时候，MCU4可以通过控制Sleep端，使可调电压部分处于休眠状态，处于休眠状态时，可调电压部分电路都处于关断状态，降低功耗，当需要工作时，MCU4控制Sleep端唤醒即可，该电源管理模块5具有较宽的电压输入范围。

其中，充电管理模块1包括：电能耦合模块6、整流滤波模块7和恒流充电模块8，电能耦合模块6与无线传能的发射端相匹配并接收电能，经过整流滤波电路7将接收到的电能变成直流电，然后通过恒流充电模块8为超级电容2提供恒流充电方式。

充电管理模块1是基于超级电容2的特性设计的，因为超级电容2具有较低的等效串联电阻和几乎没有电流限制的特性，在超级电容2两端加上恒定的电压时，将出现瞬间的短路现象，为避免此种现象的发生，故采用恒流充电方式。当充电管理模块1中的电能耦合模块6检测到充电电压时，向MCU4发送信息，MCU4根据能量检测模块3提供的超级电容的电量信息，判断是否需要充电，当需要充电时，MCU4控制恒流充电模块8为超级电容2充电，当MCU4检测到电量已满时，控制恒流充电模块8停止充电。

其中，与电能耦合模块6相匹配的无线传能的发射端为：无线充电发射装置，具体实现时可以为电磁感应线圈或发射线圈等，为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做限制。

其中，实际应用时可根据不同的场合选择不同类型的超级电容2进行串并联或者采用单体超级电容。通过对超级电容2的选择来决定电源管理模块5输出的可控电压的工作范围，例如：0~10V可变电压的输出。

其中，集成有无线通信功能的MCU4能够控制充电管理模块1的充放电的启停，控制电源管理模块5可控电压部分的工作，能够处理能量检测模块3发送过来的信息，并通过无线通信功能与其它设备进行信息交互。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于超级电容的电源供应系统，通过采用超级电容作为需要长期工作的电源供电系统的储能元件，采用无线传能的方式进行充电，解决了植入式医疗设备或者不能直接接触需要长期工作的设备供电的问题；电源管理模块通过输出稳定电压实现对MCU等恒定电压器件与电路的供电；通过输出可控电压实现可变电压器件和电路的供电，且电压范围较宽；由于固定输出电压和可变输出电压分开供电，特别是可变输出电压供电能量远大于固定输出电压供电能量时可以大幅度提高电源效率，避免常规的二次电压变换所造成的损失。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于超级电容的电源供应系统，包括：充电管理模块（1）、超级电容（2）、能量检测模块（3）、MCU（4）和电源管理模块（5）；所述能量检测模块（3）实时检测所述超级电容（2）当前的电量信息，所述充电管理模块（1）检测到无线传能传递的电能时向所述MCU（4）发出信号；所述MCU（4）从所述能量检测模块（3）获取电量信息，当所述电量小于阈值时，所述MCU（4）控制所述充电管理模块（1）为所述超级电容（2）充电；所述超级电容（2）与所述电源管理模块（5）相连，其特征在于，

所述MCU（4）集成有无线通信功能，所述电源管理模块（5）输出稳定电压V_OUT和可变电压V_VAR，所述稳定电压V_OUT作为所述MCU（4）的工作电压，所述可变电压V_VAR为外接用电设备供电；其中，

所述电源管理模块（5）包括：第一桥式斩波电路（5）、第二桥式斩波电路（18）、第一电压反馈电路（10）、第二电压反馈电路（15）、PWM逻辑控制电路（12）、时钟发生电路（13）、电压误差放大电路（14）和滤波电路（16），

可变参考电压通过V_C端与所述MCU（4）相连，所述MCU（4）输出占空比可调的波形，波形经过所述滤波电路（16）变为恒定的电压，作为所述电压误差放大电路（14）的可变参考电压；所述时钟发生电路（13）为所述PWM逻辑控制电路（12）提供时钟，所述PWM逻辑控制电路（12）根据时钟和所述电压误差放大电路（14）的信号产生PWM波形，通过分别控制所述第一桥式斩波电路（9）和所述第二桥式斩波电路（18）的四个开关管的开断，使得所述第一桥式斩波电路（9）和所述第二桥式斩波电路（18）工作在升压、升降压和降压三种状态；所述第一桥式斩波电路（9）和所述第二桥式斩波电路（18）输出所述稳定电压V_OUT和所述可变电压V_VAR；所述第一电压反馈电路（10）和所述第二电压反馈电路（15）将输出端的电压经过分压反馈至所述电压误差放大电路（14）。

2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容的电源供应系统，其特征在于，所述开关管具体为MOS管。

3.根据权利要求1所述的一种基于超级电容的电源供应系统，其特征在于，所述MCU（4）通过外接睡眠端（Sleep）使得所述电源管理模块（5）工作在休眠模式。

4.根据权利要求1所述的一种基于超级电容的电源供应系统，其特征在于，所述充电管理模块（1）包括：电能耦合模块（6）、整流滤波模块（7）和恒流充电模块（8），

所述电能耦合模块（6）与无线传能的发射端相匹配并接收电能，经过所述整流滤波电路（7）将接收到的电能变成直流电，然后通过所述恒流充电模块（8）为所述超级电容（2）提供恒流充电方式。

5.根据权利要求1所述的一种基于超级电容的电源供应系统，其特征在于，所述MCU（4）具体为集成有无线通信功能的微功耗控制器。

6.根据权利要求1所述的一种基于超级电容的电源供应系统，其特征在于，所述可变电压V_VAR的电压值持续大于所述稳定电压V_OUT的电压值。