CN104062504A - 一种超级电容检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种超级电容检测电路，包括控制模块、电流检测电阻、充电开关模块、电源模块、放电开关模块以及超级电容；超级电容分别与电流检测电阻第一端、控制模块以及放电开关模块连接，放电开关模块与控制模块连接，电流检测电阻第二端分别与控制模块和充电开关模块连接，电流检测电阻第一端与控制模块连接，充电开关模块分别与控制模块和电源模块连接；这种电路可以检测出超级电容的等效串联电阻，精确地判定超级电容是否失效。

Description

一种超级电容检测电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种超级电容检测电路。

背景技术

固态硬盘(Solid State Disk，SSD)是最近几年发展起来的一种基于FLASH技术的新型存储技术，SSD写入操作分为透写和回写两种模式。透写速度慢，回写速度快，但是在回写模式下，是先将数据写在控制器的缓存buffer里，即向主机返回写入成功，再由控制器将数据下刷到后端FLASH，如果这个时候掉电，buffer中的数据就会丢失。因此，在SSD设计中，都会增加一个备电模块，用于在意外掉电发生时，为SSD提供将buffer中的数据下刷到FLASH所需的供电。

SSD中的备电模块中的备电介质主要有超级电容，超级电容用于直流备电，因此主要影响应用的是等效串联电阻(Equivalent Series Resistance，ESR)和理想电容值C。当ESR增大到一定门限或者C减小到一定门限，即会使超级电容失效，不能满足SSD的在线备电要求，但是随着温度和使用时间增加，ESR会不断增大；超级电容的理想电容的容值也会随着温度和使用时间增加不断减小。因此需要实时在线检测超级电容的ESR和C，避免掉电情况的发生。现有技术中，主要是通过在线检测超级电容理想电容值C的变化来判定超级电容是否失效，但是在实际应用中，由于将超级电容串联起来抬高电压进行应用，使得超级电容的ESR成倍增加，因此超级电容的ESR对超级电容备电能力影响更大，仅仅检测超级电容理想电容值C不能准确反映超级电容是否失效。

发明内容

本发明实施例提供了一种超级电容检测电路，可以检测出超级电容的等效串联电阻，精确地判定超级电容是否失效。

本发明第一方面提供一种电容检测电路，可包括：控制模块、电流检测电阻、充电开关模块、电源模块、放电开关模块以及超级电容；

所述超级电容分别与所述电流检测电阻第一端、所述控制模块以及所述放电开关模块连接，所述放电开关模块与所述控制模块连接，所述电流检测电阻第二端分别与所述控制模块和所述充电开关模块连接，所述电流检测电阻第一端与所述控制模块连接，所述充电开关模块分别与所述控制模块和所述电源模块连接；

当所述超级电容两端的电压放电至预设范围内时，所述控制模块检测所述电流检测电阻第一端的第一电压；所述控制模块控制所述放电开关模块关闭，所述控制模块控制所述充电开关模块打开，延时第一预设时间后，所述控制模块检测所述电流检测电阻第一端的第二电压和所述电流检测电阻第二端的第三电压，并根据所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压以及所述电流检测电阻的阻值，获得所述超级电容的等效串联电阻，若所述等效串联电阻大于第一预设阈值，则判定所述超级电容失效。

基于第一方面，在第一种可行的实施方式中，所述电路还包括放电负载电阻；

所述放电开关模块通过所述放电负载电阻与所述超级电容连接；

当需要对所述超级电容进行放电时，所述控制模块控制所述充电开关模块关闭，所述控制模块控制所述放电开关模块打开，当所述超级电容放电第二预设时间后，所述控制模块检测所述电流检测电阻第一端的第四电压，并测量所述电流检测电阻第一端的电压由所述第四电压下降至所述第一电压的放电时间，所述第四电压与所述第一电压相差预设电压值，所述控制模块根据所述放电负载电阻的阻值、所述第四电压、所述第一电压以及所述放电时间，获得所述超级电容的理想电容值，若所述理想电容值小于第二预设阈值，则判定所述超级电容失效。

基于第一方面第一种可行的实施方式，在第二种可行的实施方式中，所述电路还包括延时模块；

所述充电开关模块通过所述延时模块分别与所述控制模块和所述电源模块连接，所述电源模块分别与所述延时模块和所述控制模块连接。

基于第一方面第二种可行的实施方式，在第三种可行的实施方式中，所述电路还包括限流模块；

所述电源模块通过所述限流模块与所述充电开关模块连接；

所述限流模块用于限定对所述超级电容充电时的充电电流。

基于第一方面第三种可行的实施方式，在第四种可行的实施方式中，所述充电开关模块包括第一三极管；

所述第一三极管的集电极与所述限流模块连接，所述第一三极管的基极与所述延时模块连接，所述第一三极管的发射极与所述电流检测电阻第二端连接。

基于第一方面第一种可行的实施方式，在第五种可行的实施方式中，所述放电开关模块包括第二三极管；

所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的基极与所述控制模块连接，所述第二三极管的集电极与所述放电负载电阻连接。

基于第一方面第二种可行的实施方式，在第六种可行的实施方式中，所述控制模块包括专用集成电路；

所述专用集成电路的第一输出端与所述电流检测电阻第一端连接，所述专用集成电路的第二输出端与所述电流检测电阻第二端连接，所述专用集成电路的第三输出端分别与所述电源模块和所述延时模块连接，所述专用集成电路的第四输出端与所述第二三极管的基极连接。

基于第一方面或者第一方面第一种可行的实施方式或者第一方面第二种可行的实施方式或者第一方面第三种可行的实施方式或者第一方面第四种可行的实施方式或者第一方面第五种可行的实施方式或者第一方面第六种可行的实施方式，在第七种可行的实施方式，所述专用集成电路包括模数转换电路。

本发明实施例中，当超级电容放电至预设范围内时，控制模块检测电流检测电阻第一端的第一电压，控制模块再控制电路充电，并在延时第一预设时间后，控制模块检测电流检测电阻第一端的第二电压和电流检测电阻第二端的第三电压，最后根据第一电压、第二电压、第三电压以及电流检测电阻的阻值，获得超级电容的等效串联电阻，并在等效串联电阻大于第一预设阈值时，判定超级电容失效。本发明实施例中通过超级电容等效串联电阻的阻值大小来判定超级电容是否失效，判定方法准确度高，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种超级电容检测电路的框图；

图2是本发明实施例提供的另一种超级电容检测电路的框图；

图3是本发明实施例提供的一种超级电容检测电路的电路原理图；

图4是本发明实施例提供的一种放电充电曲线和等效电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例所述的超级电容检测电路适用于SSD对超级电容的ESR和理想电容的同时在线检测，从而预测超级电容是否失效，从而实现超级电容备电寿命的可靠检测。

请参考图1，为本发明实施例提供的一种超级电容检测电路的框图；该超级电容检测电路包括电源模块、控制模块、充电开关模块、电流检测电阻、放电开关模块和超级电容；

超级电容分别与电流检测电阻第一端、控制模块以及放电开关模块连接，放电开关模块与控制模块连接，电流检测电阻第二端分别与控制模块和充电开关模块连接，电流检测电阻第一端与控制模块连接，充电开关模块分别与控制模块和电源模块连接；

当超级电容两端的电压放电至预设范围内时，控制模块检测电流检测电阻第一端的第一电压；控制模块控制放电开关模块关闭，控制模块控制充电开关模块打开，延时第一预设时间后，控制模块检测电流检测电阻第一端的第二电压和电流检测电阻第二端的第三电压，并根据第一电压、第二电压、第三电压以及电流检测电阻的阻值，获得超级电容的等效串联电阻，若等效串联电阻大于第一预设阈值，则判定超级电容失效。

本发明实施例中，当超级电容放电至预设范围内时，控制模块检测电流检测电阻第一端的第一电压，控制模块再控制电路充电，并在延时第一预设时间后，控制模块检测电流检测电阻第一端的第二电压和电流检测电阻第二端的第三电压，最后根据第一电压、第二电压、第三电压以及电流检测电阻的阻值，获得超级电容的等效串联电阻，并在等效串联电阻大于第一预设阈值时，判定超级电容失效。本发明实施例中通过超级电容等效串联电阻的阻值大小来判定超级电容是否失效，判定方法准确度高，实用性强。

请参考图2，为本发明实施例提供的另一种超级电容检测电路的框图；该超级电容检测电路包括控制模块、电流检测电阻、充电开关模块、电源模块、放电开关模块、超级电容、负载电阻、延时模块以及限流模块，其中，控制模块、电流检测电阻、充电开关模块、电源模块、放电开关模块和超级电容请参照图1的描述，在此不再赘述。

放电开关模块通过放电负载电阻与超级电容连接；充电开关模块通过延时模块分别与控制模块和电源模块连接，电源模块分别与延时模块和控制模块连接，电源模块通过限流模块与充电开关模块连接；限流模块用于限定对超级电容充电时的充电电流。

当需要对超级电容进行放电时，控制模块控制充电开关模块关闭，控制模块控制放电开关模块打开，当超级电容放电第二预设时间后，控制模块检测电流检测电阻第一端的第四电压，并测量电流检测电阻第一端的电压由第四电压下降至第一电压的放电时间，第四电压与第一电压相差预设电压值，控制模块根据放电负载电阻的阻值、第四电压、第一电压以及放电时间，获得超级电容的理想电容值，若理想电容值小于第二预设阈值，则判定超级电容失效。

本发明实施例中，当超级电容放电至预设范围内时，控制模块检测电流检测电阻第一端的第一电压，控制模块再控制电路充电，并在延时第一预设时间后，控制模块检测电流检测电阻第一端的第二电压和电流检测电阻第二端的第三电压，最后根据第一电压、第二电压、第三电压以及电流检测电阻的阻值，获得超级电容的等效串联电阻，并在等效串联电阻大于第一预设阈值时，判定超级电容失效。本发明实施例中通过超级电容等效串联电阻的阻值大小来判定超级电容是否失效，判定方法准确度高，实用性强。

请参照图3，为本发明实施例提供的一种超级电容检测电路的电路原理图，在本实施方式中，充电开关模块包括第一三极管，如图3所示，第一三极管的集电极与限流模块中的限流器件连接，第一三极管的基极与延时模块连接，第一三极管的发射极分别与电流检测电阻的第二端和控制模块连接。

充电控制使能EN信号由控制模块输出，并经过延时模块延时50ms后输入第一三极管的基极，控制第一三极管的通断。当第一三极管处于通路状态时，整个电路对超级电容进行充电，如图4所示的充电等效电路图，电源通过电流检测电阻R1和超级电容中的等效串联电阻ESR对超级电容充电，需要说明的是，等效串联电阻为超级电容中的物理模块。当第一三极管处于断开状态时，超级电容进行放电，因此整个电路是通过控制模块输出使能信号控制第一三极管的通断从而达到超级电容充放电的控制。

在本实施方式中，放电开关模块包括第二三极管，如图3所示，第二三极管的发射极接地，第二三极管的基极与控制模块连接，第二三极管的集电极与放电负载电阻连接。

放电控制使能EN信号由控制模块输出，并输入至第二三极管的基极，控制第二三极管的通断，当第二三极管处于通路状态时，如图4所示的放电等效电路图所示，超级电容通过放电负载电阻RL和等效串联电阻ESR进行放电，需要说明的是，等效串联电阻为超级电容中的物理模块。当第二三极管处于断开截止状态时，电源对超级电容进行充电。

在本实施方式中，控制模块包括专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuits，ASIC)，该专用集成电路可以是SSD中的专用控制器，专用集成电路中可以包括模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)，ADC对电压值进行采用取值。如图3所示，专用集成电路的第一输出端与电流检测电阻R1的第一端连接，用于检测电流检测电阻R1第一端的电压值，专用集成电路的第二输出端与电流检测电阻R1的第二端连接，用于检测电流检测电阻R1第二端的电压值，专用集成电路的第三输出端和第四输出端分别为使能信号输出端，专用集成电路的第三输出端与分别与电源模块和延时模块连接，专用集成电路的第四输出端与第二三极管的基极连接。专用集成电路的第三输出端输出充电控制使能信号，专用集成电路的第四输出端输出放电控制使能信号。

在本实施方式中，超级电容可以是多个超级电容进行串联，例如3-5颗超级电容串联，图3所示的电容为无ESR的理想电容，实际应用中ESR和理想电容为同一个物理模块。如图3所示，超级电容的正极分别与专用集成电路的第一输出端、电流检测电阻第一端以及放电负载电阻的一端连接，超级电容的负极用于接地。

在本实施方式中，电源模块中的电源型号可以是CHARGE BUCK，是常见的降压型电源模块，具有快速的动态响应。

可选的，放电负载电阻的作用为超级电容放电时提供负载的电阻，放电负载电阻的阻值可以是82欧姆。

可选的，电流检测电阻的阻值可以是0.05欧姆。

可选的，本实施方式中的超级电容检测电路还可以包括限流模块，限流模块中主要为限流器件，用于限制充电电流，充电电流不能过大，防止超过PCB承载能力。

可选的，本实施方式中的超级电容检测电路还可以包括延时模块，延时模块主要用于信号延时，在本实施方式中，延时模块的作用为待电源模块上电后，延时50ms后再打开充电开关，保证电源能够响应放电到充电时的电流快速变化。

本发明实施例的用于超级电容检测的电路工作过程如下：

SSD每隔一定时间间隔T，启动一次检测，充放电曲线及等效电路如图4所示，检测步骤及方法如下：

1)放电前电容保持充电状态，超级电容的电容电压(TP1点)保持在V0，(初次上电时会先充电5秒)；

2)控制模块判断充电电压是否正常，如果异常则停止检测，上报硬件故障，正常则继续；

3)t0时刻，控制模块输出充电使能EN信号，控制关闭充电buck芯片，同时控制模块输出放电使能EN信号，控制打开放电开关模块中的三极管，开启放电；

4)当超级电容放电第二预设时间(例如放电1S)到B点时，控制模块检测电流检测电阻第一端的第四电压，即是检测TP1点V1，如图4所示的放电曲线所示，B点即是所检测的电压V1。继续放电到C点，C点的电压为V2，即是电流检测电阻第一端的第一电压为V2，V1与V2之间相差预设电压值，(例如，V1减去1V等于V2)，控制模块测量由B点放电到C点的时间T(T＝t2-t1)；

5)t2时刻，超级电容两端的电压已经放电至预设范围内，且控制模块检测到电流检测电阻第一端的第一电压为V2，控制模块关闭放电开关模块中的第二三极管，打开充电使能EN，控制充电开关模块中的第一三极管打开，充电开启瞬间，超级电容的电容电压(TP1点)会从C点阶跃到D点，电压会由V2阶跃至V3(如图4的充放电曲线所示)，使能开启后延时第一预设时间(例如：60ms)检测t3时刻(t3为t2延时60ms)电流检测电阻第一端的第二电压和电流检测电阻第二端的第三电压，即是检测TP1点的电压V4，以及电阻R1另一端TP2点的电压值V5，t3时刻TP1点的电压V4即是图4中的E点。

6)继续充电至V0，并保持；

7)控制模块根据电容放电公式C＝T/[RL*Ln(V1/V2)]计算超级电容的理想电容值C，其中放电负载电阻RL＝82欧姆，并判断理想电容的电容容值C是否小于最小容值门限Cmin；如果C<Cmin，则返回超级电容失效，提醒用户更换盘片，否则继续；需要说明的是，电阻RL为放电负载电阻的阻值。

8)根据公式ESR＝(V4-V2)/[(V5-V4)/R1](公式推导过程见后文中的公式推导部分)计算ESR，其中，电流检测电阻R1＝0.05欧姆，并判断ESR是否大于最大门限ESRmax；如果ESR>ESRmax，则返回超级电容失效，提醒用户更换盘片，否则继续；需要说明的是，电阻R1为电流检测电阻的阻值。

ESR的公式推导具体过程如下，需要说明的是，以下所提及的电压Vesr即是超级电容的等效串联电阻ESR上的电压：

如图4所示，在t2时刻开启充电前的放电等效电路如图4右上图所示，此时电路满足以下两个等式：

V2＝Vesr(放电)+Vc1 (1)

Vesr＝I(放电电流)×ESR (2)

(备注：V2和C点电压还存在一个50ms延时，但是由于放电电流很小基本上小于20mA，并且时间很短基本上是小于50ms，因此两个点之间电压的差异几乎可忽略，使用V2替代C点电压)。

由于放电时当Vc1很小，放电电流很小，不到20mA；同时ESR很小，因此公式2中的Vesr<0.01几乎为0；从而代入公式1得到：

V2≈Vc1 (3)

而在t2时刻关闭放电开启充电后的等效电路如图4右下图所示，此时满足：

V3＝Vesr(充电)+Vc2 (4)

Vesr＝I(充电电流)×ESR (5)

由于电容特性即电压不会瞬间跳变，因此在放电和充电开启的短时间内(60ms以内)，满足：

Vc1≈Vc2 (6)

V3≈V4 (7)

将(3)、(6)、(7)代入公式(4)得到：

V4＝Vesr(充电)+V2 (8)

Vesr＝V4-V2； (9)

且此时充电电流I＝(V5-V4)/R1，其中R1＝0.05欧姆，因此得到：

ESR＝(V4-V2)/[(V5-V4)/0.05]

本发明实施例中，当超级电容放电至预设范围内时，控制模块检测电流检测电阻第一端的第一电压，控制模块再控制电路充电，并在延时第一预设时间后，控制模块检测电流检测电阻第一端的第二电压和电流检测电阻第二端的第三电压，最后根据第一电压、第二电压、第三电压以及电流检测电阻的阻值，获得超级电容的等效串联电阻，并在等效串联电阻大于第一预设阈值时，判定超级电容失效。本发明实施例中通过超级电容等效串联电阻的阻值大小来判定超级电容是否失效，判定方法准确度高，实用性强。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种超级电容检测电路，其特征在于，包括控制模块、电流检测电阻、充电开关模块、电源模块、放电开关模块以及超级电容；

所述超级电容分别与所述电流检测电阻第一端、所述控制模块以及所述放电开关模块连接，所述放电开关模块与所述控制模块连接，所述电流检测电阻第二端分别与所述控制模块和所述充电开关模块连接，所述电流检测电阻第一端与所述控制模块连接，所述充电开关模块分别与所述控制模块和所述电源模块连接；

当所述超级电容两端的电压放电至预设范围内时，所述控制模块检测所述电流检测电阻第一端的第一电压；所述控制模块控制所述放电开关模块关闭，所述控制模块控制所述充电开关模块打开，延时第一预设时间后，所述控制模块检测所述电流检测电阻第一端的第二电压和所述电流检测电阻第二端的第三电压，并根据所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压以及所述电流检测电阻的阻值，获得所述超级电容的等效串联电阻，若所述等效串联电阻大于第一预设阈值，则判定所述超级电容失效。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括放电负载电阻；

所述放电开关模块通过所述放电负载电阻与所述超级电容连接；

当需要对所述超级电容进行放电时，所述控制模块控制所述充电开关模块关闭，所述控制模块控制所述放电开关模块打开，当所述超级电容放电第二预设时间后，所述控制模块检测所述电流检测电阻第一端的第四电压，并测量所述电流检测电阻第一端的电压由所述第四电压下降至所述第一电压的放电时间，所述第四电压与所述第一电压相差预设电压值，所述控制模块根据所述放电负载电阻的阻值、所述第四电压、所述第一电压以及所述放电时间，获得所述超级电容的理想电容值，若所述理想电容值小于第二预设阈值，则判定所述超级电容失效。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电路还包括延时模块；

所述充电开关模块通过所述延时模块分别与所述控制模块和所述电源模块连接，所述电源模块分别与所述延时模块和所述控制模块连接。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述电路还包括限流模块；

所述电源模块通过所述限流模块与所述充电开关模块连接；

所述限流模块用于限定对所述超级电容充电时的充电电流。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述充电开关模块包括第一三极管；

所述第一三极管的集电极与所述限流模块连接，所述第一三极管的基极与所述延时模块连接，所述第一三极管的发射极与所述电流检测电阻第二端连接。

6.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述放电开关模块包括第二三极管；

所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的基极与所述控制模块连接，所述第二三极管的集电极与所述放电负载电阻连接。

7.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述控制模块包括专用集成电路；

所述专用集成电路的第一输出端与所述电流检测电阻第一端连接，所述专用集成电路的第二输出端与所述电流检测电阻第二端连接，所述专用集成电路的第三输出端分别与所述电源模块和所述延时模块连接，所述专用集成电路的第四输出端与所述第二三极管的基极连接。

8.如权利要求1至7任一项所述的电路，其特征在于，所述专用集成电路包括模数转换电路。