CN104993564A - 新能源超级电容充电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新能源超级电容充电电路，包括AC/DC适配器、电源防反接电路、DC/DC降压型充电管理电路、功率驱动电路、同步整流续流电路、电流采样电路、电压采样电路、充电指示电路、负载超级电容。本发明提供一种功耗小、温度低，且对超级电容器进行大电流快速充电过程中能够有效反应充电状态的新能源超级电容充电电路。
Description
技术领域
本发明涉及DC/DC直流充电技术领域，特别涉及到一种新能源超级电容充电电路。
背景技术
超级电容(法拉电容、黄金电容)是近几年发展起来的一种能够大容量存储电荷，并且具有大功率充、放电特性，是一种介于电容器与电池之间的新型储能器件。
超级电容与现在的可充电电池相比具有如下优点；1、安全性：可以大电流充、放电(充电时间数十秒至数分钟)不会发热、燃烧甚至爆炸；2、长寿命：循环寿命达几十万次以上；3、绿色环保：拆解后可以回收没有污染；4、良好的低温性能：可在零下40度正常工作；5、功率密度高：超过10KW/KG。因此，超级电容已经广泛地用于各行各业。在人们的日常生活和工作当中，超级电容已经开始用于便携式电动工具、便携式移动照明灯具和应急照明灯具等方面，充分显示出了超级电容在几十秒至几分钟快速充电的优势，大大克服了一般可充电电池需要几小时的充电时间这个弊端。所以，研发超级电容充电器是摆在工程师们面前的一个课题。
就目前，超级电容充电器专用集成电路国内还没有一家厂家能够生产，而国外的一些知名的集成电路制造厂商，已经开发出几款10A以上的DC-DC大电流恒流、恒压充电管理集成电路，如美国的TI和凌特公司等，但是在实际使用过程中还是存在一些缺憾。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺憾，提供一种功耗小、温升低，且对超级电容进行大电流快速充电过程中能够有效反应充电状态的新能源超级电容充电电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新能源超级电容充电电路，包括AC/DC适配器、电源防反接电路、DC/DC降压型充电管理电路、功率驱动电路、同步整流续流电路、电流采样电路、电压采样电路、充电指示电路、负载超级电容；所述AC/DC适配器通过电源防反接电路与DC/DC降压型充电管理电路连接；所述功率驱动电路的一端连接在DC/DC降压型充电管理电路上，其另一端通过电流采样电路连接在负载超级电容上，所述电流采样电路还连接在DC/DC降压型充电管理电路上；所述同步整流续流电路连接在DC/DC降压型充电管理电路上；所述电压采样电路一端与DC/DC降压型充电管理电路连接，其另一端连接在负载超级电容上；所述充电指示电路一端与DC/DC降压型充电管理电路连接，其另一端与负载超级电容连接。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述DC/DC降压型充电管理电路包括芯片U1，所述芯片U1为BQ24640。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述电源防反接电路包括PMOS管Q8、电阻R17和稳压管D2，所述PMOS管Q8的栅极连接稳压管D2的阴极，稳压管D2的阳极接地，PMOS管Q8的漏极与AC/DC适配器连接；电阻R17一端与PMOS管Q8栅极连接，其另一端与PMOS管Q8的源极连接，所述PMOS管Q8的源极通过电阻R6与芯片U1的pin1连接。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的PMOS管Q8漏极与AC/DC适配器之间还设有电源热插拔保护电路。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述充电指示电路包括PMOS管Q7、NMOS管Q6和双色LED指示灯D4，所述PMOS管Q7的源极接芯片U1的pin6，PMOS管Q7的栅极与负载超级电容连接，PMOS管Q7的漏极与电容C14连接；NMOS管Q6的漏极与双色LED指示灯D4红灯R的阴极连接，双色LED指示灯D4的公共阳极通过R15与AC/DC适配器连接，双色LED指示灯D4绿灯G的阴极接地；所述NMOS管Q6的栅极与PMOS管Q7的漏极的连接处通过积分线路R16、C14与芯片U1的pin13连接。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述同步整流续流电路包括NMOS管Q5和肖特基二极管D3，所述NMOS管Q5的栅极与芯片U1的pin13连接，NMOS管Q5的源极接地，NMOS管Q5的漏极与功率驱动电路中的NMOS管Q4连接；所述肖特基二极管D3的正极与NMOS管Q5的源极连接，其负极与NMOS管Q5的漏极连接。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述电压采样电路包括电容CFF、电阻R1和电阻R2，所述电阻R2与电容CFF并联后的一端与负载超级电容连接，其另一端分别与芯片U1的pin8和电阻R1连接，电阻R1的另一端于U1的pin11连接。。
根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述电流采样电路包括电阻RSR，所述电阻RSR一端与负载超级电容连接，其另一端通过电感L1与功率驱动电路中的NMOS管Q4连接；所述电阻RSR上还并联有电容C11，并联后一端与芯片U1的pin10连接，其另一端与芯片U1的pin9连接。
本发明的有益效果：本发明解决了背景技术中存在的缺憾，通过对型号BQ24640芯片U1进一步的拓展应用,解决了在大电流快速充电过程中的温升过高问题，并重新设计了能够有效反应在快速充电过程中的LED双色充电指示电路，只需要调整小部分元器件就可以对几百和数千法拉的单节或多级串联的超级电容进行大电流快速充电，且大电流快速充电过程中能够有效反应充电状态；使用PMOS管Q8取代原来肖特基二极管，PMOS管具有导通电阻小的特点，大大降低了功耗，解决了温升过高问题；在NMOS管Q5的漏极源极之间并联一个大功率肖特基二极管D3，使得在初始充电过程中先由D3分担了Q5的续流问题。综合上述的电路改进，有效地解决了充电过程中由于过功耗时常发生过温保护的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的优选实施例的电路结构框图；
图2是本发明的优选实施例的电路结构示意图；
其中：1、AC/DC适配器，2、电源防反接电路，3、DC/DC降压型充电管理电路，4、功率驱动电路5、电流采样电路，6、同步整流续流电路，7、充电指示电路，8、负载超级电容，9、电压采样电路，10、电源热插拔保护电路。
具体实施方式
如图1、2所示，一种新能源超级电容充电电路，包括AC/DC适配器1、电源防反接电路2、DC/DC降压型充电管理电路3、功率驱动电路4、同步整流续流电路6、电流采样电路5、电压采样电路9、充电指示电路7、负载超级电容8；所述AC/DC适配器1通过电源防反接电路2与DC/DC降压型充电管理电路3连接；所述功率驱动电路4的一端连接在DC/DC降压型充电管理电路3上，其另一端通过电流采样电路5连接在负载超级电容8上，所述电流采样电路5还连接在DC/DC降压型充电管理电路3上；所述同步整流续流电路6连接在DC/DC降压型充电管理电路3上；所述电压采样电路9一端与DC/DC降压型充电管理电路3连接，其另一端连接在负载超级电容8上；所述充电指示电路7一端与DC/DC降压型充电管理电路3连接，其另一端与负载超级电容8连接。
所述DC/DC降压型充电管理电路3包括芯片U1，所述芯片U1为BQ24640。所述电源防反接电路2包括PMOS管Q8、电阻R17和稳压管D2，所述PMOS管Q8的栅极连接稳压管D2的阴极，稳压管D2的阳极接地，PMOS管Q8的漏极与AC/DC适配器连接；电阻R17一端与PMOS管Q8栅极连接，其另一端与PMOS管Q8的源极连接，所述PMOS管Q8的源极通过电阻R6与芯片U1的pin1连接。所述的PMOS管Q8漏极与AC/DC适配器1之间还设有电源热插拔保护电路10。
所述充电指示电路7包括POMS管Q7、NOMS管Q6和双色LED指示灯D4，所述PMOS管Q7的源极接芯片U1的pin6，PMOS管Q7的栅极与负载超级电容连接，POMS管Q7的漏极与电容C14连接；NMOS管Q6的漏极与双色LED指示灯D4红灯R的阴极连接，双色LED指示灯D4的公共阳极通过R15与AC/DC适配器连接，双色LED指示灯D4绿灯G的阴极接地；所述NMOS管Q6的栅极与PMOS管Q7的漏极的连接处通过积分线路R16、C14与芯片U1的pin13连接。
所述同步整流续流电路6包括NMOS管Q5和肖特基二极管D3，所述NMOS管Q5的栅极与芯片U1的pin13连接，NMOS管Q5的源极接地，NMOS管Q5的漏极与功率驱动电路4中的NMOS管Q4连接；所述肖特基二极管D3的正极与NMOS管Q5的源极连接，其负极与NMOS管Q5的漏极连接。
所述电压采样电路包括电容CFF、电阻R1和电阻R2，所述电阻R2与电容CFF并联后的一端与负载超级电容连接，其另一端分别与芯片U1的pin8和电阻R1连接，电阻R1的另一端于U1的pin11连接。
所述电流采样电路5包括电阻RSR，所述电阻RSR一端与负载超级电容8连接，其另一端通过电感L1与功率驱动电路4中的NMOS管Q4连接；所述电阻RSR上还并联有电容C11，并联后一端与芯片U1的pin10连接，其另一端与芯片U1的pin9连接。
本发明中AC/DC适配器1为电路的正常工作提供电源。当AC/DC适配器1刚开始供电的瞬间会产生尖峰电压，电源热插拔保护电路10能够有效的保护DC/DC降压型充电管理电路3，使DC/DC降压型充电管理电路3的电源脚电压能够在安全的范围内正常工作，不至于损坏。电源防反接电路2是当电源的正负极接反时，起到防反接保护作用，不至于电路元器件的永久性损坏。DC/DC降压型充电管理电路3包括电流设定，温度控制设定，输入输出过压保护，过流保护，过温保护等。功率驱动电路4和同步整流续流电路6用于同步开关充电。电流采样电路5用于检测充电电流，能有效的保证输出恒定电流对负载充电。电压采样电路9用于检测负载电压，通过系统调节，只需要改变小部分元器件就可以对不同电压值的负载进行充电。充电指示电路是实现在大电流快速充电时的充电状态显示，即在充电时红灯亮，充满电时绿灯亮，拔掉适配器指示灯熄灭。
针对BQ24640芯片U1在大电流快速充电使用中能够有效反应充电状态的充电指示灯的设计如下：
BQ24640芯片U1的pin13在实际工作中的输出状态：
超级电容两端的电压低于BQ24640芯片U1 pin8基准VFB2.1V电压时，BQ24640芯片U1的pin13输出状态为低电平；超级电容两端的电压高于芯片U1 pin8VFB 2.1V电压时，芯片U1的pin13输出状态为同步脉宽信号；在超级电容充满电时，芯片U1的pin13输出状态为低电平。
利用pin13信号的变化来完成充电指示。具体如下：
PMOS管Q7的栅极接充电输出端，PMOS管Q7的源极接芯片U1的pin6，pin6的参考电压为VREF 3.3V。当充电电压低于VFB2.1V时，pin13输出低电平，PMOS管Q7导通，PMOS管Q7的漏极给NMOS管Q6的栅极提供高电平，所以NMOS管Q6导通，驱动红灯亮(因为红灯压降是2V左右，绿灯压降3V左右，所以红灯优先亮)。当充电电压高于VFB 2.1V时，pin13有同步脉宽输出，pin13通过电阻R16对电容C14充电，取代PMOS管Q7给NMOS管Q6的栅极提供高电平，保持NMOS管Q6导通，红灯亮。当充电充满时，pin13输出低电平(此时PMOS管Q7处于截止状态)，所以NMOS管Q6栅极低电平处于截止状态，绿灯由电源通过R15流过电流点亮。
对大电流快速充电过程中电源防反接二极管温升过高问题的解决方法：
BQ24640芯片的典型应用中使用的是肖特基二极管作为防反接二极管，肖特基二极管在大电流快速充电时，由于正向压降0.5V左右，这样在肖特基二极管上产生的功耗很大，使得二极管温升过高。温升过高热量不能及时散掉，热量传递到BQ24640芯片上，因为该芯片有过温保护功能，芯片处于间歇工作状态，大大延长了充电时间。
为了解决这一问题，使用PMOS管Q8取代肖特基二极管。PMOS管具有导通电阻小的特点，大大降低了功耗，解决了温升过高问题。
增加稳压管D2的原因：不加稳压管D2时，PMOS管Q8栅极直接接地。当充电充满拔掉电源时，充电指示灯绿灯G仍然会点亮。这是由负载超级电容8上的电压通过电阻RSR，电感L1，NMOS管Q4这一回路到达PMOS管Q8的源极，使PMOS管Q8导通，与电阻R15和D4的绿灯G形成回路，把灯点亮。增加稳压管D2，使得在充电充满拔掉电源时，PMOS管的栅源电压不满足导通条件而处于截止状态,这样指示灯在拔掉电源时就不会出现仍然指示电量的情况。
在对负载超级电容8进行大电流快速充电过程中，BQ24640芯片U1在负载超级电容8充电电压低于VFB 2.1V时，芯片U1的pin13输出低电平。NMOS管Q5为同步整流管，同步整流管Q5的栅极接在pin13上，源极接地。所以在负载超级电容8进行大电流快速充电过程中，充电电压低于VFB 2.1V时，同步整流管Q5处于关闭状态，靠内部续流二极管流通功耗大，温升高。
为了解决功耗大，温升高这一问题。在NMOS管Q5的漏极源极之间并联一个功率肖特基二极管D3，肖特基二极管D3的正极接NMOS管Q5的源极，负极接NMOS管Q5的漏极。肖特基二极管D3并联上去分担了NMOS管Q5的功耗，解决了Q5的温升问题。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种新能源超级电容充电电路，其特征在于：包括AC/DC适配器、电源防反接电路、DC/DC降压型充电管理电路、功率驱动电路、同步整流续流电路、电流采样电路、电压采样电路、充电指示电路、负载超级电容；所述AC/DC适配器通过电源防反接电路与DC/DC降压型充电管理电路连接；所述功率驱动电路的一端连接在DC/DC降压型充电管理电路上，其另一端通过电流采样电路连接在负载超级电容上，所述电流采样电路还连接在DC/DC降压型充电管理电路上；所述同步整流续流电路连接在DC/DC降压型充电管理电路上；所述电压采样电路一端与DC/DC降压型充电管理电路连接，其另一端连接在负载超级电容上；所述充电指示电路一端与DC/DC降压型充电管理电路连接，其另一端与负载超级电容连接。
2.根据权利要求1所述的新能源超级电容充电电路，其特征在于：所述DC/DC降压型充电管理电路包括芯片U1，所述芯片U1为BQ24640。
3.根据权利要求1所述的新能源超级电容充电电路，其特征在于：所述电源防反接电路包括PMOS管Q8、电阻R17和稳压管D2，所述PMOS管Q8的栅极连接稳压管D2的阴极，稳压管D2的阳极接地，PMOS管Q8的漏极与AC/DC适配器连接；电阻R17一端与PMOS管Q8栅极连接，其另一端与PMOS管Q8的源极连接，所述PMOS管Q8的源极通过电阻R6与芯片U1的pin1连接。
4.根据权利要求3所述的新能源超级电容充电电路，其特征在于：所述的PMOS管Q8漏极与AC/DC适配器之间还设有电源热插拔保护电路。
5.根据权利要求1所述的新能源超级电容充电电路，其特征在于：所述充电指示电路包括PMOS管Q7、NMOS管Q6和双色LED指示灯D4，所述PMOS管Q7的源极接芯片U1的pin6，PMOS管Q7的栅极与负载超级电容连接，PMOS管Q7的漏极与电容C14连接；NMOS管Q6的栅极与PMOS管Q7的漏极连接，NMOS管Q6的漏极与双色LED指示灯D4红灯R的阴极连接，双色LED指示灯D4的公共阳极通过R15与AC/DC适配器连接，双色LED指示灯D4绿灯G的阴极接地；所述NMOS管Q6的栅极与PMOS管Q7的漏极的连接处通过积分线路R16、C14与芯片U1的pin13连接。
6.根据权利要求1所述的新能源超级电容充电电路，其特征在于：所述同步整流续流电路包括NMOS管Q5和肖特基二极管D3，所述NMOS管Q5的栅极与芯片U1的pin13连接，NMOS管Q5的源极接地，NMOS管Q5的漏极与功率驱动电路中的NMOS管Q4连接；所述肖特基二极管D3的正极与NMOS管Q5的源极连接，其负极与NMOS管Q5的漏极连接。
7.根据权利要求1所述的新能源超级电容充电电路，其特征在于：所述电压采样电路包括电容CFF、电阻R1和电阻R2，所述电阻R2与电容CFF并联后的一端与负载超级电容连接，其另一端分别与芯片U1的pin8和电阻R1连接，电阻R1的另一端于U1的pin11连接。
8.根据权利要求1所述的新能源超级电容充电电路，其特征在于：所述电流采样电路包括电阻RSR，所述电阻RSR一端与负载超级电容连接，其另一端通过电感L1与功率驱动电路中的NMOS管Q4连接；所述电阻RSR上还并联有电容C11，并联后一端与芯片U1的pin10连接，其另一端与芯片U1的pin9连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 213000 Xue Bu Zhen Luo Cun Cun, Jintan City, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee after: CHANGZHOU DONGCUN ELECTRONIC CO.,LTD. Patentee after: UNIT 32181 OF PLA Address before: 213000 Xue Bu Zhen Luo Cun Cun, Jintan City, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee before: CHANGZHOU DONGCUN ELECTRONIC CO.,LTD. Patentee before: Architectural Engineering Research Institute, The General Logisitic Department of PLA |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220517 Address after: 710032 No. 16 Jinhua Jinhua Road, Shaanxi, Xi'an Patentee after: UNIT 32181 OF PLA Address before: 213000 Xue Bu Zhen Luo Cun Cun, Jintan City, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee before: CHANGZHOU DONGCUN ELECTRONIC CO.,LTD. Patentee before: UNIT 32181 OF PLA |
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| TR01 | Transfer of patent right |