CN103036285A - 一种超级电容充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空电子技术领域，特别是涉及到一种超级电容充电电路，括开关电源电路2、电压—电流转换电路5、电流—电压转换电路3、功率—电流转换电路6、反馈选择电路4。发明所述的一种超级电容充电电路，主要用于对超级电容进行充电控制，使得超级电容在电压较低时采用恒流充电，电压较高时采用恒功率充电，而在电压达到设定值时，则采用恒压方式对超级电容补充电荷。采用该充电电路可以避免恒流充电方式在超级电容端电压升高后，对供电电源功率要求过高的情况。

Description

一种超级电容充电电路

技术领域

本发明属于航空电子技术领域，特别是涉及到一种超级电容充电电路。

背景技术

超级电容作为大容量储能元件，目前已经在风力发电、光伏发电行业广泛用于能量储存。

目前对超级电容充电，采用比较广泛的是恒流方式充电。该充电方式根据电容充电的恒流充电公式V=I×t/C可知，超级电容两端电压随时间的增加而线性增加，而根据充电功率公式P=I×V可知，随着超级电容电压越来越高，充电功率也越来越大。在采用普通开关电源型恒流充电电路进行充电时，就会出现电路输入功率越来越大的情况。这种情况下，电路自身功耗增加，发热量增大，对输入电源功率容量要求较高。如图7所示。

对于采用超级电容作为储能器件的记录器独立电源，ARINC777-2010（记录器独立电源）标准2.3.1节对充电情况下记录器独立电源的输入功率是有限制要求的，不可大于“独立电源输出功率+5W”，所以对于采用超级电容作为储能器件的记录器独立电源，其超级电容充电电路需要对充电功率进行限制。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种超级电容充电电路，不采用恒流充电的方式，而采取一种恒流充电、恒功率充电以及恒压充电相结合的方式，控制输入电源功率，降低对输入电源功率容量的要求，以满足ARINC777-2010中2.3.1节的要求。

技术方案：一种超级电容充电电路，包括开关电源电路2、电压-电流转换电路5、电流—电压转换电路3、功率—电流转换电路6、反馈选择电路4。

所述的开关电源电路2为同时具有电压反馈输入端和电流反馈输入端的BUCK型开关电源电路。该开关电源电路在负载电流处于设定值以下时，采用电压反馈输出设定的电压，在负载处于设定的电压值下其电流会超过电流设定值时，采用电流反馈方式将输出电流稳定在设定的电流值上。

所述的电流-电压转换电路3，将输出电流采样后转换为一个与输出电流线性相关的电压，即V₁=kI。

所述电压—电流转换电路5将电流—电压转换电路3的输出电压转换成电流输出，且电压—电流转换电路5的输出电流与电流—电压转换电路3的输入电流成线性关系，即I₁=mV₁=mkI。

所述功率—电流转换电路6将电流—电压转换电路3的输出电压和电源输出端7的电压对应的功率线性转换为电流输出，即I₂=kI×nV_O。同时可以根据输入端VSIN电压高于设定值时短路输出端PCO的电流，或在VSIN电压低于设定值时通过CTRL输出端输出控制信号，用于短路电压—电流转换电路5输出端CCO的输出电流。

采用上述结构，则可以实现在超级电容电压很低时，采用电流反馈模式实现恒流充电，而在超级电容电压达到一定值后，采用功率反馈模式实现恒功率充电，在超级电容电压达到电压反馈设定值后，则采用电压反馈模式实现恒压充电。

有益效果：本发明通过采用发明所示电路对超级电容充电，比较恒流充电电路，本发明可以最优的利用输入电源的功率容量。当输入电源功率容量固定为P，设定的超级电容充满电压为V时，在不考虑功率损耗的情况下，为保证最大充电功率不会超过输入电源功率，则充电电流最大为I=P/V，则恒流充电需要耗费的时间为t_C=VC/I=V²C/P。而采用本发明所示电路充电，则在恒流充电阶段耗费的时间为t₁=V₁ ²C/P（V₁为恒流到恒功率的转折点电压），根据电容能量公式，在恒功率充电阶段耗费的时间为t₂=（V²-V₁ ²）C/2P，则总的充电耗费时间为t_CP=t₁+t₂=（V²+V₁ ²）C/2P；比较两个时间t_C-t_CP=（V²-V₁ ²）C/2P，显然，V₁≤V，所以可知：

1.参阅图8，在电源输入最大功率确定的情况下，采用本发明所示电路给超级电容充电，要比恒流充电节省时间，更充分的利用利用输入电源的功率容量；

2.参阅图9，在充电时间确定的情况下，采用本发明所示电路给超级电容充电，对输入电源的功率要求要比恒流充电电路低；

3.参阅图9，在充电时间确定，以及开关电源效率确定的情况下，采用本发明所示电路给超级电容充电，由于充电功率比较平稳，且较恒流充电峰值功率要低，所以在元器件的散热设计上要比恒流充电电路简单。

附图说明

图1为本发明电路原理框图；

图2为本发明一实施例电路原理结构图；

图3为本发明一实施例中开关电源原理图；

图4为本发明一实施例中电压—电流转换电路原理图；

图5为本发明一实施例中功率—电流转换电路原理图；

图6为本发明一实施例中反馈选择电路的电路原理结构图；

图7为采用恒流充电方式下充电功率、超级电容电压以及电路功耗曲线图；

图8为限定输入电源功率下两种充电方式充电功率、超级电容电压曲线图；

图9为限定充电时间下两种充电方式充电功率、超级电容电压、充电电路功耗曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的一种实施例做进一步详细描述，请参阅图1至图6。

参阅图1和图2，本发明的基本结构包括开关电源电路2、电压—电流转换电路5、电流—电压转换电路3、功率—电流转换电路6、反馈选择电路4。输入电源通过电源输入端1输入，经过本发明所示电路后从电源输出端7输出电流给超级电容充电。开关电源电路2具有电压反馈和电流反馈两种工作模式，而电流反馈经过电压—电流转换电路5、电流—电压转换电路3、功率—电流转换电路6、反馈选择电路4后又分解成电流反馈模式和功率反馈模式，所以整个电路的工作随超级电容的电压区域分为三种工作模式：

a.超级电容电压低于设定值V1时，处于恒流充电模式；

b.超级电容电压处于设定值V1与设定的电容充满电压V之间时，处于恒功率充电模式；

c.超级电容电压等于设定的电容充满电压V时，处于恒压充电模式。

参阅图3，开关电源电路2采用凌特公司的开关电源芯片LT3724加外围器件构成，其结构参考芯片资料上典型的BUCK型开关电源电路，但进行了一些改变，具体如下：

a.用于电流反馈的引脚Sense+与Sense-没有连接到电流采样电阻（对应本发明中的电流-电压转换电路3）两端，而是用于连接反馈选择电路4的输出；

b.没有典型BUCK型开关电源电路所具备的输出滤波电容，这是因为充电的对象即为电容器。

电流-电压转换电路3采用电流检测电阻实现，可以采用普通的阻抗较低的电阻器，以降低线路损耗，为了提高采集精度，也可以选用四引脚的电流检测电阻。

参阅图4，电压—电流转换电路5采用凌特公司电流检测芯片LT6105的典型电路构成。

参阅图5，功率—电流转换电路6采用凌特公司功率检测芯片LT2940加外围电路构成。采用R3、R4分压的方式来检测输出电压值，采用I+和I-引脚间压差来检测输出电流值，Pmon引脚输出与功率成线性关系的电流。将CmpOut连接到Pmon引脚，将/CmpOut引脚通过CTRL连接到电压—电流转换电路5的输出端CCO。

采用R6和R7分压的方式监控输出电压。当电压高于某一设定值时，其/CmpOut输出低电平吸收电压—电流转换电路5输出的电流，而CmpOut输出高阻态，Pmon引脚输出电流到反馈选择电路4，使当前的反馈为功率反馈，实现恒功率充电；当电压低于某一设定值时，CmpOut输出低电平吸收Pmon引脚输出的电流，而/CmpOut输出高阻态，电压—电流转换电路5输出端CCO输出电流到反馈选择电路4，使当前的反馈为电流反馈，实现恒流充电。

参阅图6，反馈选择电路4采用二极管隔离的方式防止在短路一个输出电流时影响到另一个输出电流，实现反馈电流的选择。电阻将电流转换成电压，而运算放大器构成电压跟随器实现电压的驱动以及阻抗的匹配。

按照上述实施方式可以构建出本发明所示的超级电容充电电路。

a.在设计由恒流充电模式切换到恒功率充电模式时，应当保证充电电流切换的平稳性，即切换瞬间，电压-电流转换电路5的CCO引脚输出电流应当与功率—电流转换电路6的PCO引脚输出电流相等；

b.由于系统为单电源供电，反馈选择电路4中用于实现电压跟随器的运算放大器应当选用“轨—轨”（rail—rail）型运算放大器，以保证低电压信号不会失真；

c.根据设计充电功率的不同，适当的考虑主充电回路上元器件（NMOS管V1、续流二极管D1和电感器L1）的散热问题。

当输入电源功率容量固定为P，设定的超级电容充满电压为V时，在不考虑功率损耗的情况下，为保证最大充电功率不会超过输入电源功率，则充电电流最大为I=P/V，则恒流充电需要耗费的时间为t_C=VC/I=V²C/P。而采用本发明所示电路充电，则在恒流充电阶段耗费的时间为t₁=V₁ ²C/P（V₁为恒流到恒功率的转折点电压），根据电容能量公式，在恒功率充电阶段耗费的时间为t₂=（V²-V₁ ²）C/2P，则总的充电耗费时间为t_CP=t₁+t₂=（V²+V₁ ²）C/2P；比较两个时间t_C-t_CP＝（V²-V₁ ²）C/2P，显然，V₁≤V，所以可知：

1.参阅图8，在电源输入最大功率确定的情况下，采用本发明所示电路给超级电容充电，要比恒流充电节省时间，更充分的利用利用输入电源的功率容量；

2.参阅图9，在充电时间确定的情况下，采用本发明所示电路给超级电容充电，对输入电源的功率要求要比恒流充电电路低；

3.参阅图9，在充电时间确定，以及开关电源效率确定的情况下，采用本发明所示电路给超级电容充电，由于充电功率比较平稳，且较恒流充电峰值功率要低，所以在元器件的散热设计上要比恒流充电电路简单。

Claims (6)

1.一种超级电容充电电路，其特征在于，包括开关电源电路[2]、电压—电流转换电路[5]、电流—电压转换电路[3]、功率—电流转换电路[6]、反馈选择电路[4]。所述开关电源电路[2]的电源输入端VIN连接到电源输入端[1]，电压输出端VO连接到电流—电压转换电路[3]的电流输入端CIN，电流—电压转换电路[3]的电流输出端CO连接到电源输出端[7]，电流—电压转换电路[3]的电压输出端CVO分别连接到电压—电流转换电路[5]的输入端CSIN1和功率—电流转换电路[6]的电流输入端CSIN2，功率—电流转换电路[6]的电压输入端VSIN和开关电源电路[2]的电压反馈输入端VSENSE均连接到电源输出端[7]，反馈选择电路[4]的两个输入端CIN1和CIN2分别与电压—电流转换电路[5]的输出端CCO和功率—电流转换电路[6]的输出端PCO连接，其中CIN1还与功率—电流转换电路[6]的输出端CTRL连接，一个输出端CSOUT与开关电源电路[2]的电流反馈输入端CSENSE连接。

2.根据权利要求1所述一种超级电容充电电路，其特征在于，所述开关电源电路[2]包括开关电源控制芯片[21]、NMOS管V1、输出电压检测电阻R1、输出电压检测电阻R2、电感L1、续流二极管D1，所述开关电源控制芯片[21]的NMOS管控制端连接到NMOS管V1的栅极G，NMOS管V1的漏极D连接到电源输入端VIN，源极S连接电感L1的一端，电感L1的另外一端连接到电压输出端VO，续流二极管正极接地，负极接到NMOS管V1的源极S。

3.根据权利要求2所述一种超级电容充电电路，其特征在于，所述的开关电源电路[2]为同时具有电压反馈输入端和电流反馈输入端的BUCK型开关电源电路。

4.根据权利要求1所述一种超级电容充电电路，其特征在于，所述电压—电流转换电路[5]将输入电压CSIN1转换成电流输出到输出端CCO，且电压-电流转换电路[5]的输出电流与输入电压成线性关系。

5.根据权利要求1所述一种超级电容充电电路，其特征在于，所述功率-电流转换电路[6]包括功率检测芯片[61]、输出电压检测电阻R3、R4，所述功率-电流转换电路[6]将输入端CSIN2电压和输入端VSIN电压的乘积线性转换为电流通过输出端PCO输出。同时可以根据输入端VSIN电压高于设定值时短路输出端PCO的电流，或在VSIN电压低于设定值时通过CTRL输出端输出控制信号，用于短路电压—电流转换电路[5]输出端CCO的输出电流。

6.根据权利要求1所述一种超级电容充电电路，其特征在于，所述反馈选择电路[4]能够合并功率—电流转换电路[6]和电压—电流转换电路[5]输出电流，并转换成电压通过反馈选择电路[4]的输出端CSOUT输出。

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