CN107181303B - 超级电容充放电检测电路及其检测控制方法 - Google Patents

超级电容充放电检测电路及其检测控制方法 Download PDF

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Abstract

一种超级电容充放电检测电路，包括超级电容C1，超级电容C1的一端接地，超级电容C1的另一端连接有微电流充电电源V1和场效应管Q1源极，场效应管Q1漏极分别连接有电阻R1和场效应管Q2漏极，电阻R1串联有电阻R2和电阻R3，所述场效应管Q2源极连接有场效应管Q3源极，场效应管Q3漏极连接于电阻R1和电阻R2之间，电阻R2和电阻R3之间连接场效应管Q4栅极，电阻R3另一端连接场效应管Q4栅极，场效应管Q4漏极分别连接场效应管Q2栅极和场效应管Q3栅极，场效应管Q4漏极和场效应管Q1源极之间连接负载接口P1。本发明采用场效应管作为检测控制元件，利用其高输入阻抗的特性，实现0采样输入电流，利用其存在Vg(th)特性，配合外接高兆欧电阻，实现检测电压可设定。

Description

超级电容充放电检测电路及其检测控制方法
技术领域
本发明涉及一种超级电容充放电检测电路及其检测控制方法。
背景技术
目前，在一些微能量收集发电装置(诸如温差发电，震动发电，噪声发电)，由于输出功率小，不能直接向负载供电，需要通过长时间对电容充电，才可以积聚能量，满足负载间隙工作需求。
另外，在一些微能量收集发电装置，由于输出功率小，常规的电压检测手段，例如使用电压比较器，由于芯片的工作时存在静态电流，该静态电流将导致电容无法充电；因此，需要一种极低功耗的检测手段，实现电容电压的检测。
发明内容
本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种超级电容充放电检测控制方法，使得电路整机的待机功耗纳瓦数量级，提高电容的充电效率；避免进入无效充电状态，缩短充电时间。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种超级电容充放电检测电路，包括超级电容C1，超级电容C1的一端接地，超级电容C1的另一端为电源正极并连接有微电流充电电源V1和场效应管Q1源极，场效应管Q1漏极分别连接有电阻R1和场效应管Q2漏极，电阻R1串联有电阻R2和电阻R3，所述场效应管Q2源极连接有场效应管Q3源极，场效应管Q3漏极连接于电阻R1和电阻R2之间，电阻R2和电阻R3之间连接场效应管Q4栅极，电阻R3另一端连接场效应管Q4源极，场效应管Q4源极接地，场效应管Q4漏极分别连接场效应管Q2栅极和场效应管Q3栅极，场效应管Q4漏极和场效应管Q1源极之间连接负载接口P1，负载接口P1外接CC2530无线发射模块。
为了进一步完善，电阻R1、电阻R2和电阻R3均为高兆欧姆电阻。高兆欧姆电阻从超级电容两端获取极小的放电电流，有利于减少电容的充电时间。
进一步完善，场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3和场效应管Q4P均采用沟道增强型MOS场效应管。相比普通三极管，场效应管为电压控制型器件，驱动功率更小；相比结型场效应管，绝缘栅型场效应管的漏电阻更大，漏电流更小。
这种超级电容充放电检测控制方法，采用分阶段电压检测，检测控制方法如下：
0<VCC<Vgs(th)，场效应管Q1截止，电路消耗电流＝0；
Vgs(th)<VCC<(R1+R2+R3)*Vg(th)/R3，场效应管Q1导通，场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4截止，电路消耗电流VCC/(R1+R2+R3)。
进一步完善，无线发射模块为CC2530无线发射芯片，工作电压范围为2.0V—3.6V。使用CC2530无线发射芯片可以方便的构成zigbee分布式无线传感器网络。由于分布式无线传感器网络不方便采用统一供电模式，采用一次性电池及充电电池在使用一段时间后需要更换电池，而采用微能量收集发电永续供电，实现传感器供电电路的免维护。
进一步完善，场效应管Q1、场效应管Q2、Q3选择小功率P沟道增强型MOSFET，Vg(th)典型值为-1V；Q4选择小功率N沟道增强型MOSFET，Vg(th)典型值为1V。选用小开启电压值的MOSFET，相应的其可设置的启始放电电压和结束放电电压得范围则大。
本发明有益的效果是：本发明采用场效应管作为检测控制元件，利用其高输入阻抗的特性，实现0采样输入电流；采用电阻作为检测元件，使得检测电流降低到纳安数量级；利用场效应管存在的开启电压Vg(th)的特性，配合高兆欧姆分压，使得检测电源的起始放电电压及结束放电电压可设可控。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照附图：本实施例中超级电容充放电检测电路，包括超级电容C1，超级电容C1的一端接地，超级电容C1的另一端连接有微电流充电电源V1和场效应管Q1源极，场效应管Q1漏极分别连接有电阻R1和场效应管Q2漏极，电阻R1串联有电阻R2和电阻R3，所述场效应管Q2源极连接有场效应管Q3源极，场效应管Q3漏极连接于电阻R1和电阻R2之间，电阻R2和电阻R3之间连接场效应管Q4栅极，电阻R3另一端连接场效应管Q4栅极，场效应管Q4漏极分别连接场效应管Q2栅极和场效应管Q3栅极，场效应管Q4漏极和场效应管Q1源极之间连接负载接口P1。电阻R1、电阻R2和电阻R3均为高兆欧姆电阻。场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3和场效应管Q4P均采用沟道增强型MOS场效应管。
这种超级电容充放电检测控制方法，采用分阶段电压检测，检测控制方法如下：
1.0<VCC<Vgs(th)，Q1截止，电路消耗电流＝0
2.Vgs(th)<VCC<(R1+R2+R3)*Vg(th)/R3，Q1导通，Q2、Q3、Q4，截止，电路消耗电流VCC/(R1+R2+R3)
本例负载为CC2430无线发射芯片，其工作电压范围为2.0V——3.6V；本应用参数选择上限电压为3.5V，下限电压为2.2V。
Q1,Q2，Q3选择AO3401，Vg(th)典型值为-1V；Q4选择Bss138，Vg(th)典型值为1V。
取R1＝130M，R2＝120M，R3＝100M，电路充电时，电路静态电流为2.85nA-10nA；小于一般比较器静态电流(例如TL081A静态工作电流典型值为1.4mA最大值可达2.5mA；)
3.VCC>(R1+R2+R3)*Vg(th)/R3接通负载，开始放电，放电电流主要由负载决定；
4.VCC*(R2)*/(R2+R3)>Vg(th)接通负载，放电，放电电流主要由负载决定；
5.VCC*(R2)*/(R2+R3)>Vg(th)关闭负载，停止放电，电路消耗电流VCC/(R1+R2+R3)。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。

Claims (6)

1.一种超级电容充放电检测电路，包括超级电容C1，其特征是：所述超级电容C1的一端接地，超级电容C1的另一端为电源正极并连接有微电流充电电源V1和场效应管Q1源极，场效应管Q1漏极分别连接有电阻R1和场效应管Q2漏极，电阻R1串联有电阻R2和电阻R3，所述场效应管Q2源极连接有场效应管Q3源极，场效应管Q3漏极连接于电阻R1和电阻R2之间，电阻R2和电阻R3之间连接场效应管Q4栅极，电阻R3另一端连接场效应管Q4源极，场效应管Q4源极接地，场效应管Q4漏极分别连接场效应管Q2栅极和场效应管Q3栅极，场效应管Q4漏极和场效应管Q1源极之间连接负载接口P1，负载接口P1外接CC2530无线发射模块。
2.根据权利要求1所述的超级电容充放电检测电路，其特征是：所述电阻R1、电阻R2和电阻R3均为高兆欧姆电阻。
3.根据权利要求1所述的超级电容充放电检测电路，其特征是：所述场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3和场效应管Q4 均采用沟道增强型MOS场效应管。
4.一种采用权利要求1或2中所述的超级电容充放电检测电路的检测控制方法，其特征是：采用分阶段电压检测，检测控制方法如下：
0<VCC< Vgs(th)，场效应管Q1截止，电路消耗电流 =0；
Vgs(th)<VCC <(R1+R2+R3)*Vg(th)/R3 ，场效应管Q1导通，场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4截止，电路消耗电流 VCC/(R1+R2+R3)。
5.根据权利要求4所述的超级电容充放电检测电路的检测控制方法，其特征是：所述无线发射模块为CC2530无线发射芯片，工作电压范围为2.0V—3.6V。
6.根据权利要求4所述的超级电容充放电检测电路的检测控制方法，其特征是：所述场效应管Q1、 场效应管Q2、Q3选择小功率P沟道增强型MOSFET，Vg(th)典型值为-1V；Q4选择小功率N沟道增强型MOSFET，Vg(th)典型值为1V。
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