CN107425580B - 基于比较器的充放电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于比较器的充放电电路，包括：充放电单元，其包括：充电电源模块、超级电容以及开关控制电路模块，充电电源模块的输入端用于连接至输入电源，充电电源模块的输出端连接至超级电容的正极，超级电容的负极连接至开关控制电路模块的输入端，开关控制电路模块的输出端用于连接至负载；监控单元，其包括：MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块、第二隔离驱动模块以及监控电源模块，监控电源模块为MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块以及第二隔离驱动模块供电。该基于比较器的充放电电路解决了现有技术中第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元会相互供电而导致耗能较高的问题。

Description

基于比较器的充放电电路

技术领域

本发明涉及充放电电路，具体涉及一种基于比较器的充放电电路。

背景技术

中国专利公开了一种公告号为CN 102868287 B的纹波补偿电路和超级电容充放电装置，该纹波补偿电路包括电网侧充电电压采样单元，用于在为超级电容充电时采样电网侧输入的实时电压；充电电压比较单元，与所述电网侧充电电压采样单元连接，用于在为超级电容充电时比较该实时电压与预先设定的标准充电电压，得到充电电压校正信号；第一超级电容电压补偿单元，与所述充电电压比较单元连接，用于在为超级电容充电时根据该充电电压校正信号调整超级电容两端的电压。虽然该纹波补偿电路实现了为超级电容充电过程中减小由电网侧输入的脉动电压引起的超级电容两端输出纹波电压的目的，但是该纹波补偿电路存在缺点为：

其设置的第一超级电容电压补偿单元目的在于：根据采样在为超级电容充电时采样电网侧输入的实时电压，调节在为超级电容充电时超级电容两端的电压；设置的第二超级电容电压补偿单元目的在于：根据在为超级电容充电时采样超级电容两端的实时电压，调整在为超级电容充电时超级电容两端的电压，但是第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元对超级电容两端电压是相互独立的，极有可能存在相互冲突的情况，一个对超级电容两端电压调节较小，一个对超级电容两端电压调节较大，第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元都相当于电源，一个供电电压较大的电源会向另一个供电电压较小的电源充电，导致供电电压较小的电源(也即是：第一超级电容电压补偿单元或第二超级电容电压补偿单元)，导致第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元也存在耗能的可能，不利于环保。再者，第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元内分别存在一个补偿电源，两个补偿电源同时设置在一个板子上，会占用大量的空间，整个补偿电路形成的体积较大，不符合集成芯片的小体积话要求。

发明内容

本发明提供了一种基于比较器的充放电电路，解决了现有技术中第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元会相互供电而导致耗能较高的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于比较器的充放电电路，包括：充放电单元，其包括：充电电源模块、超级电容以及开关控制电路模块，充电电源模块的输入端用于连接至输入电源，充电电源模块的输出端连接至超级电容的正极，超级电容的负极连接至开关控制电路模块的输入端，开关控制电路模块的输出端用于连接至负载；监控单元，其包括：MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块、第二隔离驱动模块以及监控电源模块，监控电源模块为MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块以及第二隔离驱动模块供电，第一比较器的输入端连接至充电电源模块与输入电源的节点，以采集充电电源模块的输入电压值、比较输入电压值是否大于充电阈值、当输入电压值大于充电阈值时输出过充高电平、并当输入电压值小于等于充电阈值时输出未过充低电平，第一比较器的输出端连接至MCU模块的第一输入端；第二比较器的输入端连接至超级电容与开关控制电路模块的节点，以采集超级电容的电容电压值、比较电容电压值是否大于放电阈值、当电容电压值大于放电阈值时输出过放高电平、并当电容电压值小于等于放电阈值时输出未过放低电平，第二比较器的输出端连接至MCU模块的第二输入端；第一隔离驱动模块的控制输入端连接至MCU模块的第一输出端，第一隔离驱动模块的控制输出端连接至充电电源模块的控制端；第二隔离驱动模块的控制输入端连接至MCU模块的第二输出端，第二隔离驱动模块的控制输出端连接至开关控制电路模块的控制端；其中，MCU模块接收第一比较器的输出和第二比较器的输出、当第一比较器的输出为过放高电平时通过第一隔离驱动模块控制充电电源模块停止工作、当第一比较器的输出为未过放低电平时通过第一隔离驱动模块控制充电电源模块开启工作、当第二比较器的输出为过放高电平时通过第二隔离驱动模块控制开关控制电路模块的输入端和输出端断开、且当第二比较器的输出为未过放低电平时通过第二隔离驱动模块控制开关控制电路模块的输入端和输出端闭合。

优选的是，开关控制电路模块包括：555定时器，其调控端用于接收外部控制信号，以当外部控制信号为高时输出方波电压信号；当外部控制信号为低时输出直流电压信号；电荷泵组件，555定时器的输出端连接至电荷泵组件的输入端，以当电荷泵组件的输入端输入方波电压信号时电荷泵组件的高输出端与低输出端的压差为大于零的恒定值；当电荷泵组件的输入端输入直流电压信号时电荷泵组件的高输出端与低输出端的压差为零；以及开关组件，其控制端与电荷泵组件的高输出端相连，其输入端用于连接至供电电源，其输出端用于连接至负载且与电荷泵组件的低输出端相连。

优选的是，开关组件包括第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2，第一MOS管Q1漏极连接至第二MOS管Q2漏极，第一MOS管Q1漏极与第二MOS管Q2漏极的节点为开关组件的输入端；第一MOS管Q1源极连接至第二MOS管Q2源极，第一MOS管Q1源极与第二MOS管Q2源极的节点为开关组件的输出端；第一MOS管Q1栅极连接至第二MOS管Q2源极，第一MOS管Q1栅极与第二MOS管Q2栅极的节点为开关组件的控制端。

优选的是，开关组件还包括保护二极管D6，保护二极管D6的阳极连接至第一MOS管Q1的漏极，保护二极管D6的阴极连接至第一MOS管Q1的源极。

优选的是，555定时器的VCC端和R端用于连接至启动电源，555定时器的DIS端接入高电平，555定时器的CVolt端、TRIG端以及TUR端用于接地，555定时器的GND端为555定时器调控端，555定时器调控端通过一三极管Q4接收外部控制信号，555定时器调控端与三极管Q4集电极连接，三极管Q4基极用于接收外部控制信号，三极管Q4的发射极接地。

优选的是，555定时器的VCC端和R端均通过一电阻NC3连接至15v启动电源，三极管Q4的基极通过一电阻R18连接至接收外部控制信号，三极管Q4的基极通过电阻R19接地，555定时器的TRIG端以及TUR端通过电容C27接地，555定时器的DIS端连接至电阻R21一端，电阻R21另一端连接至电容C27的正极，555定时器的DIS端通过电阻R2连接至555定时器的VCC端，555定时器的CVolt端通过电容C26接地。

优选的是，电荷泵组件包括电容C28、第一二极管组、第二二极管组、电阻R22、电阻R23以及电阻R24，电容C28的正极为电荷泵组件输入端，电容C28负极连接至第一二极管组正极和第二二极管组正极，第一二极管组负极连接至电阻R22，电阻R22连接至电阻R23，电阻R22与电阻R23的节点为电荷泵组件的高输出端，第二二极管组正极连接至电阻R24一端，电阻R24另一端为电荷泵组件的低输出端。

优选的是，第一二极管组和第二二极管组均包括二极管D4以及二极管D5，二极管D4阳极连接至二极管D5阳极，二极管D4阳极与二极管D5阳极的节点为第一二极管组正极或第二二极管组正极，二极管D4阴极连接至二极管D5阴极，二极管D4阴极与二极管D5阴极的节点为第一二极管组负极或第二二极管组负极。

基于比较器的充放电电路还包括散热壳，充放电单元以及监控单元均设置于散热壳内，且第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2紧贴散热壳内壁。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)避免了现有技术中第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元会相互供电而导致耗能较高的问题，减少了在对超级电容保护的时候的耗能，更加有利于环保节能，避免不必要的能量的消耗；

2)避免了现有技术中第一超级电容电压补偿单元和第二超级电容电压补偿单元分别设置一个电源，减少了集成时的占地面积，减小了形成芯片的体积。

附图说明

图1为基于比较器的充放电电路的电路框图；

图2为图1中开关控制电路模块的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出了一种基于比较器的充放电电路，包括：充放电单元，其包括：充电电源模块、超级电容以及开关控制电路模块，充电电源模块的输入端用于连接至输入电源，充电电源模块的输出端连接至超级电容的正极，超级电容的负极连接至开关控制电路模块的输入端，开关控制电路模块的输出端用于连接至负载；监控单元，其包括：MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块、第二隔离驱动模块以及监控电源模块，监控电源模块为MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块以及第二隔离驱动模块供电，第一比较器的输入端连接至充电电源模块与输入电源的节点，以采集充电电源模块的输入电压值、比较输入电压值是否大于充电阈值、当输入电压值大于充电阈值时输出过充高电平、并当输入电压值小于等于充电阈值时输出未过充低电平，第一比较器的输出端连接至MCU模块的第一输入端；第二比较器的输入端连接至超级电容与开关控制电路模块的节点，以采集超级电容的电容电压值、比较电容电压值是否大于放电阈值、当电容电压值大于放电阈值时输出过放高电平、并当电容电压值小于等于放电阈值时输出未过放低电平，第二比较器的输出端连接至MCU模块的第二输入端；第一隔离驱动模块的控制输入端连接至MCU模块的第一输出端，第一隔离驱动模块的控制输出端连接至充电电源模块的控制端；第二隔离驱动模块的控制输入端连接至MCU模块的第二输出端，第二隔离驱动模块的控制输出端连接至开关控制电路模块的控制端；其中，MCU模块接收第一比较器的输出和第二比较器的输出、当第一比较器的输出为过放高电平时通过第一隔离驱动模块控制充电电源模块停止工作、当第一比较器的输出为未过放低电平时通过第一隔离驱动模块控制充电电源模块开启工作、当第二比较器的输出为过放高电平时通过第二隔离驱动模块控制开关控制电路模块的输入端和输出端断开、且当第二比较器的输出为未过放低电平时通过第二隔离驱动模块控制开关控制电路模块的输入端和输出端闭合。监控电源模块的输入与超级电容的负极相连，监控电源模块输入电压来自超级电容电压，通过电源电路内部稳压芯片稳压后输出稳定工作电压，为其它电路所需的工作电压值。

第二比较器电路里有一个比较器，对输入电压进行分压处理后，和第二比较电路中的基准源电压进行比较，判定输入电压是否发生欠压(也即是过放判断)，将比较结果输出到MCU模块。基准源电压由TLV431精密基准源芯片提供。

第一比较电路里有三个比较器，通过与对电容电压进行相应的分压处理后，与基准源电压进行比较，分别判定超级电容是否充满、是否需要充电、是否过放。然后将三路比较结果输出到MCU模块。

第二隔离驱动模块控制开关控制电路模块中开关组件的关断。同时根据第二比较电路的比较结果，当超级电容过放时，通过第二隔离驱动模块控制开关控制电路中开关组件断开，达到防止超级电容过放、保护超级电容的目的，同时通过第一隔离驱动模块开启充电电源模块，给超级电容充电。当超级电容需要充电或者已经充满时，MCU模块输出控制信号通过隔离驱动电路控制充电电源模块开启或关闭，开启或停止给超级电容充电，达到智能充电控制的目的。隔离驱动电路核心器件由一块磁耦或者光耦芯片组成，以隔离干扰，增加系统可靠性。

当超级电容充满后，MCU模块通过第一隔离驱动模块停止充电电源模块，使得超级电容不再充电。

如图2所示，开关控制电路模块包括：555定时器，其调控端用于接收外部控制信号，以当外部控制信号为高时输出方波电压信号；当外部控制信号为低时输出直流电压信号；电荷泵组件，555定时器的输出端连接至电荷泵组件的输入端，以当电荷泵组件的输入端输入方波电压信号时电荷泵组件的高输出端与低输出端的压差为大于零的恒定值；当电荷泵组件的输入端输入直流电压信号时电荷泵组件的高输出端与低输出端的压差为零；以及开关组件，其控制端与电荷泵组件的高输出端相连，其输入端用于连接至供电电源，其输出端用于连接至负载且与电荷泵组件的低输出端相连。1)通过555定时器替换一般的控制器，由于555定时器具有低功耗的性能，因此所述开关控制电路使用时耗能低，利于节能环保；2)通过设置电荷泵组件，实现了当555定时器输出为方波信号时使得开关组件保持闭合状态，保证供电电源持续为负载供电，当输出直流时切断供电电源与负载，实现控制，且电荷泵组件的使用能够降低耗能同时抗干扰能力强，保证控制工作的有序进行。

如图2所示，开关组件包括第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2，第一MOS管Q1漏极连接至第二MOS管Q2漏极，第一MOS管Q1漏极与第二MOS管Q2漏极的节点为开关组件的输入端；第一MOS管Q1源极连接至第二MOS管Q2源极，第一MOS管Q1源极与第二MOS管Q2源极的节点为开关组件的输出端；第一MOS管Q1栅极连接至第二MOS管Q2源极，第一MOS管Q1栅极与第二MOS管Q2栅极的节点为开关组件的控制端。通过设置第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2，实现了在第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2闭合时，第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2相互分流，使得第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2各自通过的电流减小，进而减小了闭合后第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2的功率，进而解决了现有技术中因供电电路的功率过大而导致开关组件中的第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2容易损坏的问题，延长了开关组件的使用寿命，增加了市场竞争力。

为了对第一MOS管和第二MOS管进行保护，开关组件还包括保护二极管D6，保护二极管D6的阳极连接至第一MOS管Q1的漏极，保护二极管D6的阴极连接至第一MOS管Q1的源极。

为了实现当外部控制信号输入为高电平时555定时器输出方波信号，实现当外部控制信号输入为低电平时555定时器输出直流信号，555定时器的VCC端和R端用于连接至启动电源，555定时器的DIS端接入高电平，555定时器的CVolt端、TRIG端以及TUR端用于接地，555定时器的GND端为555定时器调控端，555定时器调控端通过一三极管Q4接收外部控制信号，555定时器调控端与三极管Q4集电极连接，三极管Q4基极用于接收外部控制信号，三极管Q4的发射极接地。

为了实现仅通过一个启动电源15v和一个地的设置而达到555定时器的各个端需求，555定时器的VCC端和R端均通过一电阻NC3连接至15v启动电源，三极管Q4的基极通过一电阻R18连接至接收外部控制信号，三极管Q4的基极通过电阻R19接地，555定时器的TRIG端以及TUR端通过电容C27接地，555定时器的DIS端连接至电阻R21一端，电阻R21另一端连接至电容C27的正极，555定时器的DIS端通过电阻R2连接至555定时器的VCC端，555定时器的CVolt端通过电容C26接地。

为了设计简单且工作可靠的电荷组件，电荷泵组件包括电容C28、第一二极管组、第二二极管组、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C29以及电容C30，电容C28的正极为电荷泵组件输入端，电容C28负极连接至第一二极管组正极和第二二极管组正极，第一二极管组负极连接至电阻R22，电阻R22连接至电阻R23，电阻R22与电阻R23的节点为电荷泵组件的高输出端，第二二极管组正极连接至电阻R24一端，电阻R24另一端为电荷泵组件的低输出端，电容C30负极接地，电容C30的正极以及电容C29负极均连接至第二二极管组负极，电容C29的正极连接至第一二极管组负极。

为了设计简单且工作可靠的第一二极管组和第二二极管组，第一二极管组和第二二极管组均包括二极管D4以及二极管D5，二极管D4阳极连接至二极管D5阳极，二极管D4阳极与二极管D5阳极的节点为第一二极管组正极或第二二极管组正极，二极管D4阴极连接至二极管D5阴极，二极管D4阴极与二极管D5阴极的节点为第一二极管组负极或第二二极管组负极。

555定时器电路接成方波脉冲发生器电路，当外部控制信号为高电平时，该高电平经R9、R10分压后加在Q4管的基极上，Q4导通，使定时器555电路脚1接地，脉冲发生器开始工作，使脚3输出幅度为15V的方波脉冲信号。电容C28、第一二极管组、第二二极管组、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C29以及电容C30构成“电荷泵电路”。C28起到“电荷泵”及隔直流作用。脚3输出为正脉冲时，通过C6隔直后经V5给C5、C4串联充电，555定时器脚3为零电平时，C30通过第二二极管组给C28充电，下一个正脉冲到来时脚3电压与C28上电压串联给C29、C30充电，这样重复操作，C30、C29逐渐充电，电压逐渐升高，达到稳定时uc30＝uc29＝Vcc(uc30为C30两端电压差，uc29为C29两端的电压差)。最终在C29上得到15V左右悬浮于MOS管G、S极之间的直流电压，经过R22驱动功率开关组件导通，实现持续供电。

当控制信号为低电平时，555定时器1脚不接地，则555定时器内构成的控制电路停止工作，555定时器输出15V直流电，因为C28电容隔直流作用，等于断路，后级电路没有工作，也就没有15V的悬浮电压，开关组件就没有导通。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于比较器的充放电电路，其特征在于，包括：

充放电单元，其包括：充电电源模块、超级电容以及开关控制电路模块，充电电源模块的输入端用于连接至输入电源，充电电源模块的输出端连接至超级电容的正极，超级电容的负极连接至开关控制电路模块的输入端，开关控制电路模块的输出端用于连接至负载；

监控单元，其包括：MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块、第二隔离驱动模块以及监控电源模块，监控电源模块为MCU模块、第一比较器、第二比较器、第一隔离驱动模块以及第二隔离驱动模块供电，第一比较器的输入端连接至充电电源模块与输入电源的节点，以采集充电电源模块的输入电压值、比较输入电压值是否大于充电阈值、当输入电压值大于充电阈值时输出过充高电平、并当输入电压值小于等于充电阈值时输出未过充低电平，第一比较器的输出端连接至MCU模块的第一输入端；第二比较器的输入端连接至超级电容与开关控制电路模块的节点，以采集超级电容的电容电压值、比较电容电压值是否大于放电阈值、当电容电压值大于放电阈值时输出过放高电平、并当电容电压值小于等于放电阈值时输出未过放低电平，第二比较器的输出端连接至MCU模块的第二输入端；第一隔离驱动模块的控制输入端连接至MCU模块的第一输出端，第一隔离驱动模块的控制输出端连接至充电电源模块的控制端；第二隔离驱动模块的控制输入端连接至MCU模块的第二输出端，第二隔离驱动模块的控制输出端连接至开关控制电路模块的控制端；

其中，MCU模块接收第一比较器的输出和第二比较器的输出、当第一比较器的输出为过放高电平时通过第一隔离驱动模块控制充电电源模块停止工作、当第一比较器的输出为未过放低电平时通过第一隔离驱动模块控制充电电源模块开启工作、当第二比较器的输出为过放高电平时通过第二隔离驱动模块控制开关控制电路模块的输入端和输出端断开、且当第二比较器的输出为未过放低电平时通过第二隔离驱动模块控制开关控制电路模块的输入端和输出端闭合。

2.根据权利要求1所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，开关控制电路模块包括：

555定时器，其调控端用于接收外部控制信号，以当外部控制信号为高时输出方波电压信号；当外部控制信号为低时输出直流电压信号；

电荷泵组件，555定时器的输出端连接至电荷泵组件的输入端，以当电荷泵组件的输入端输入方波电压信号时电荷泵组件的高输出端与低输出端的压差为大于零的恒定值；当电荷泵组件的输入端输入直流电压信号时电荷泵组件的高输出端与低输出端的压差为零；以及

开关组件，其控制端与电荷泵组件的高输出端相连，其输入端用于连接至供电电源，其输出端用于连接至负载且与电荷泵组件的低输出端相连。

3.根据权利要求2所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，开关组件包括第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2，第一MOS管Q1漏极连接至第二MOS管Q2漏极，第一MOS管Q1漏极与第二MOS管Q2漏极的节点为开关组件的输入端；第一MOS管Q1源极连接至第二MOS管Q2源极，第一MOS管Q1源极与第二MOS管Q2源极的节点为开关组件的输出端；第一MOS管Q1栅极连接至第二MOS管Q2源极，第一MOS管Q1栅极与第二MOS管Q2栅极的节点为开关组件的控制端。

4.根据权利要求3所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，开关组件还包括保护二极管D6，保护二极管D6的阳极连接至第一MOS管Q1的漏极，保护二极管D6的阴极连接至第一MOS管Q1的源极。

5.根据权利要求2所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，555定时器的VCC端和R端用于连接至启动电源，555定时器的DIS端接入高电平，555定时器的CVolt端、TRIG端以及TUR端用于接地，555定时器的GND端为555定时器调控端，555定时器调控端通过一三极管Q4接收外部控制信号，555定时器调控端与三极管Q4集电极连接，三极管Q4基极用于接收外部控制信号，三极管Q4的发射极接地。

6.根据权利要求5所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，555定时器的VCC端和R端均通过一电阻NC3连接至15v启动电源，三极管Q4的基极通过一电阻R18连接至接收外部控制信号，三极管Q4的基极通过电阻R19接地，555定时器的TRIG端以及TUR端通过电容C27接地，555定时器的DIS端连接至电阻R21一端，电阻R21另一端连接至电容C27的正极，555定时器的DIS端通过电阻R2连接至555定时器的VCC端，555定时器的CVolt端通过电容C26接地。

7.根据权利要求2所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，电荷泵组件包括电容C28、第一二极管组、第二二极管组、电阻R22、电阻R23以及电阻R24，电容C28的正极为电荷泵组件输入端，电容C28负极连接至第一二极管组正极和第二二极管组正极，第一二极管组负极连接至电阻R22，电阻R22连接至电阻R23，电阻R22与电阻R23的节点为电荷泵组件的高输出端，第二二极管组正极连接至电阻R24一端，电阻R24另一端为电荷泵组件的低输出端。

8.根据权利要求7所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，第一二极管组和第二二极管组均包括二极管D4以及二极管D5，二极管D4阳极连接至二极管D5阳极，二极管D4阳极与二极管D5阳极的节点为第一二极管组正极或第二二极管组正极，二极管D4阴极连接至二极管D5阴极，二极管D4阴极与二极管D5阴极的节点为第一二极管组负极或第二二极管组负极。

9.根据权利要求8所述的基于比较器的充放电电路，其特征在于，还包括散热壳，充放电单元以及监控单元均设置于散热壳内，且第一MOS管Q1以及第二MOS管Q2紧贴散热壳内壁。

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