CN109066946A - 一种基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路，包括电源与驱动电路、检测与控制电路，具体包括超级电容S、PWM芯片I、电压运放、电流运放、检测运放、MOS管、电源稳压管、限压稳压管、驱动稳压管、二极管、电感、电源电容、限压电容、驱动滤波电容、电压滤波电容、电压正端电容、电压负端电容、电流负端电容、电流正端电容等。本发明具有动态恒流充电、高压供电时进行限压充电、低压供电时进行全压跟踪充电的功能，以确保超级电容在不同充电电源电压条件下的安全、可靠、快速的电压自适应充电控制，电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于模块化、产品系列化。

Description

一种基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路，适用于使用超级电容储能、供电与控制的应用场合。

背景技术

超级电容在现代新能源储能、各类军民设备续航供电与控制方面，得到日益广泛的应用。超级电容应用技术中的一个重要问题之一就是超级电容的限压式快速充电控制问题，目前常用的方法及其存在的问题是：一是恒压式充电，电路简单，不足之处在于：初始充电电流冲击大无法控制，且过渡过程时间长；二是基于专用恒流恒压充电芯片的方案，充电控制的快速性好，不足之处在于：该方案适用的超级电容储能容量小，且要求超级电容的充电电压低于电路供电电压，供电条件没有得到充分利用，且现有方案中的电路较复杂，成本较高。因此，如何设计一种在超级电容额定电压约束下充分利用充电电源供电条件的高效、快速、安全的超级电容充电控制方案，特别是能适于新能源电力转换中的大容量储能应用场合，是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路。该电路以运行于PWM控制方式的大功率MOS管为充电过程的高效功率控制元件，以PWM电源芯片作为大功率MOS管的驱动电路，以满幅运放(rail to rail运放)为双闭环控制电路，具有动态恒流充电、高压供电时限压充电、低压供电时全压跟踪充电的功能，以确保超级电容在不同充电电源电压条件下的安全、可靠、快速的电压自适应充电控制。

本发明电路包括电源与驱动电路、检测与控制电路。

电源与驱动电路包括超级电容SC1、PWM芯片IC1、MOS管VT1、电源稳压管DW1、限压稳压管DW2、驱动稳压管DW3、二极管D1、电源电容C1、限压电容C2、驱动滤波电容C3、电压滤波电容C4、电感L1、限流电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、驱动电阻R4、上输出电阻R5、下输出电阻R6、电流传感电阻Rs，电路供电电压端+Us端与限流电阻R1的一端、上分压电阻R2的一端、驱动电阻R4的一端、MOS管VT1的漏极端D端连接，限流电阻R1的另一端与辅助电源电压端+Vcc端、电源稳压管DW1的阴极、电源电容C1的一端连接，电源稳压管DW1的阳极、电源电容C1的另一端均与输入地端GND1端连接，上分压电阻R2的另一端与下分压电阻R3的一端、限压电容C2的一端、限压稳压管DW2的阴极、参考电压端Vref端连接，下分压电阻R3的另一端、限压电容C2的另一端、限压稳压管DW2的阳极均与输入地端GND1端连接，驱动电阻R4的另一端与PWM芯片IC1的供电输入端IN端、驱动稳压管DW3的阴极、驱动滤波电容C3的一端连接，驱动稳压管DW3的阳极、驱动滤波电容C3的另一端均与输入地端GND1端连接，PWM芯片IC1的使能端/ON端、地端GND端均与输入地端GND1端连接，PWM芯片IC1的输出端OUT端与MOS管VT1的栅极G端连接，PWM芯片IC1的反馈端FB端与电流运放IC3的输出端OUT端、电流负端电阻R13的一端连接，MOS管VT1的源极S端与电感L1的一端、二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极、电流传感电阻Rs的一端均与输入地端GND1端连接，电感L1的另一端与上输出电阻R5的一端、超级电容SC1的正端+端、电路输出电压端+Uout端连接，上输出电阻R5的另一端与下输出电阻R6的一端、电压滤波电容C4的一端、电压反馈电阻R9的一端连接，超级电容SC1的负端-端、下输出电阻R6的另一端、电压滤波电容C4的另一端、电流传感电阻Rs的另一端均与输出地端GND2端连接。

检测与控制电路包括电压运放IC2、电流运放IC3、检测运放IC4、电压正端电容C5、电压负端电容C6、电流负端电容C7、电流正端电容C8、电流滤波电容C9、电压输入电阻R7、电压正端电阻R8、电压反馈电阻R9、电压负端电阻R10、电流输入电阻R11、电流反馈电阻R12、电流负端电阻R13、电流正端电阻R14、负端检测电阻R15、放大电阻R16、正端检测电阻R17，电压输入电阻R7的一端与参考电压端Vref端连接，电压输入电阻R7的另一端与电压运放IC2的正输入端IN+端、电压正端电容C5的一端连接，电压正端电容C5的另一端与电压正端电阻R8的一端连接，电压正端电阻R8的另一端与输入地端GND1端连接，电压运放IC2的负输入端IN-端与电压负端电容C6一端、电压反馈电阻R9的另一端连接，电压负端电容C6另一端与电压负端电阻R10的一端连接，电压负端电阻R10的另一端与电压运放IC2的输出端OUT端、电流输入电阻R11的一端连接，电压运放IC2的正电源端+V端与辅助电源电压端+Vcc连接，电压运放IC2的地端GND端与输入地端GND1端连接，电流输入电阻R11的另一端与电流运放IC3的负输入端IN-端、电流负端电容C7的一端连接，电流负端电容C7的另一端与电流负端电阻R13的另一端连接，电流运放IC3的正输入端IN+端与电流反馈电阻R12的一端、电流正端电容C8的一端连接，电流正端电容C8的另一端与电流正端电阻R14的一端连接，电流正端电阻R14的另一端、电流运放IC3的地端GND端均与输入地端GND1端连接，电流反馈电阻R12的另一端与检测运放IC4的输出端OUT端、放大电阻R16的一端连接，放大电阻R16的另一端与负端检测电阻R15的一端、检测运放IC4的负输入端IN-端连接，负端检测电阻R15的另一端、电流滤波电容C9的一端、检测运放IC4的地端GND端均与输入地端GND1端连接，检测运放IC4的正电源端+V端与辅助电源电压端+Vcc连接，检测运放IC4的正输入端IN+端与电流滤波电容C9的另一端、正端检测电阻R17的一端连接，正端检测电阻R17的另一端与输出地端GND2端连接。

本发明的有益效果如下：

本发明以功率MOS管、PWM芯片、运算放大器等为主的简单电路方案，具有动态恒流充电、高压供电时限压充电、低压供电时全压跟踪充电的功能，以确保超级电容在不同充电电源电压条件下的安全、可靠、快速的电压自适应充电控制，该电路方案电路简单、成本低、可靠性高、通用性好，易于模块化、产品系列化。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路，包括电源与驱动电路、检测与控制电路。

电源与驱动电路包括超级电容SC1、PWM芯片IC1、MOS管VT1、电源稳压管DW1、限压稳压管DW2、驱动稳压管DW3、二极管D1、电源电容C1、限压电容C2、驱动滤波电容C3、电压滤波电容C4、电感L1、限流电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、驱动电阻R4、上输出电阻R5、下输出电阻R6、电流传感电阻Rs，电路供电电压端+Us端与限流电阻R1的一端、上分压电阻R2的一端、驱动电阻R4的一端、MOS管VT1的漏极端D端连接，限流电阻R1的另一端与辅助电源电压端+Vcc端、电源稳压管DW1的阴极、电源电容C1的一端连接，电源稳压管DW1的阳极、电源电容C1的另一端均与输入地端GND1端连接，上分压电阻R2的另一端与下分压电阻R3的一端、限压电容C2的一端、限压稳压管DW2的阴极、参考电压端Vref端连接，下分压电阻R3的另一端、限压电容C2的另一端、限压稳压管DW2的阳极均与输入地端GND1端连接，驱动电阻R4的另一端与PWM芯片IC1的供电输入端IN端、驱动稳压管DW3的阴极、驱动滤波电容C3的一端连接，驱动稳压管DW3的阳极、驱动滤波电容C3的另一端均与输入地端GND1端连接，PWM芯片IC1的使能端/ON端、地端GND端均与输入地端GND1端连接，PWM芯片IC1的输出端OUT端与MOS管VT1的栅极G端连接，PWM芯片IC1的反馈端FB端与电流运放IC3的输出端OUT端、电流负端电阻R13的一端连接，MOS管VT1的源极S端与电感L1的一端、二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极、电流传感电阻Rs的一端均与输入地端GND1端连接，电感L1的另一端与上输出电阻R5的一端、超级电容SC1的正端+端、电路输出电压端+Uout端连接，上输出电阻R5的另一端与下输出电阻R6的一端、电压滤波电容C4的一端、电压反馈电阻R9的一端连接，超级电容SC1的负端-端、下输出电阻R6的另一端、电压滤波电容C4的另一端、电流传感电阻Rs的另一端均与输出地端GND2端连接。

检测与控制电路包括电压运放IC2、电流运放IC3、检测运放IC4、电压正端电容C5、电压负端电容C6、电流负端电容C7、电流正端电容C8、电流滤波电容C9、电压输入电阻R7、电压正端电阻R8、电压反馈电阻R9、电压负端电阻R10、电流输入电阻R11、电流反馈电阻R12、电流负端电阻R13、电流正端电阻R14、负端检测电阻R15、放大电阻R16、正端检测电阻R17，电压输入电阻R7的一端与参考电压端Vref端连接，电压输入电阻R7的另一端与电压运放IC2的正输入端IN+端、电压正端电容C5的一端连接，电压正端电容C5的另一端与电压正端电阻R8的一端连接，电压正端电阻R8的另一端与输入地端GND1端连接，电压运放IC2的负输入端IN-端与电压负端电容C6一端、电压反馈电阻R9的另一端连接，电压负端电容C6另一端与电压负端电阻R10的一端连接，电压负端电阻R10的另一端与电压运放IC2的输出端OUT端、电流输入电阻R11的一端连接，电压运放IC2的正电源端+V端与辅助电源电压端+Vcc连接，电压运放IC2的地端GND端与输入地端GND1端连接，电流输入电阻R11的另一端与电流运放IC3的负输入端IN-端、电流负端电容C7的一端连接，电流负端电容C7的另一端与电流负端电阻R13的另一端连接，电流运放IC3的正输入端IN+端与电流反馈电阻R12的一端、电流正端电容C8的一端连接，电流正端电容C8的另一端与电流正端电阻R14的一端连接，电流正端电阻R14的另一端、电流运放IC3的地端GND端均与输入地端GND1端连接，电流反馈电阻R12的另一端与检测运放IC4的输出端OUT端、放大电阻R16的一端连接，放大电阻R16的另一端与负端检测电阻R15的一端、检测运放IC4的负输入端IN-端连接，负端检测电阻R15的另一端、电流滤波电容C9的一端、检测运放IC4的地端GND端均与输入地端GND1端连接，检测运放IC4的正电源端+V端与辅助电源电压端+Vcc连接，检测运放IC4的正输入端IN+端与电流滤波电容C9的另一端、正端检测电阻R17的一端连接，正端检测电阻R17的另一端与输出地端GND2端连接。

本发明所使用的包括MOS管VT1、PWM芯片IC1、电压运放IC2、电流运放IC3、检测运放IC4、电流传感电阻Rs等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：MOS管采用IRF系列MOSFET管，PWM芯片采用LM2575ADJ，电压运放、电流运放、检测运放均采用TLC2264，电流传感电阻采用LRA型锰铜电阻等。

本发明中的主要电路参数配合关系如下：

设：电路供电电压为U_s(单位：V)，电路辅助电源电压为V_cc(单位：V)，电路参考电压为V_ref(单位：V)，超级电容的额定电压为U_scN(单位：V)，超级电容的最大充电电流为I_scm(单位：A)，MOS管栅源极驱动电压阈值为U_gsth(单位：V)，限压稳压管DW2的稳压值为U_dw2(单位：V)，R₂、R₃、R₅、R₆分别为上分压电阻R2、下分压电阻R3、上输出电阻R5、下输出电阻R6的阻值(单位：Ω)，R₇、R₈、R₉、R₁₀分别为电压输入电阻R7、电压正端电阻R8、电压反馈电阻R9、电压负端电阻R10的阻值(单位：Ω)，R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄分别为电流输入电阻R11、电流反馈电阻R12、电流负端电阻R13、电流正端电阻R14的阻值(单位：Ω)，R₁₅、R₁₆分别为负端检测电阻R15、放大电阻R16的阻值(单位：Ω)，C₅、C₆、C₇、C₈分别为电压正端电容C5、电压负端电容C6、电流负端电容C7、电流正端电容C8的电容值(单位：F)，电压运放IC2、电流运放IC3、检测运放IC4均为满幅运放(Rail to Rail运放)。则，电路的参数配合关系如下：

R₇＝R₉ (1)

R₈＝R₁₀ (2)

R₁₁＝R₁₂ (3)

R₁₃＝R₁₄ (4)

C₅＝C₆ (5)

C₇＝C₈ (6)

U_gsth＜U_s (7)

V_ref≤V_cc (10)

本发明工作过程如下：

(1)辅助电源电压的产生：由限流电阻R1、电源电容C1、电源稳压管DW1构成稳压电路，其稳压值即为辅助电源电压V_cc(单位：V)，作为控制电路的电源。

(2)充电电压的给定信号—参考电压V_ref的产生：由上分压电阻R2、下分压电阻R3、限压稳压管DW2、限压电容C2，以及按式(9)等电路参数配合关系，产生充电电压的给定信号—参考电压V_ref，由式(9)可知，当电路供电电压U_s高于超级电容的额定电压U_scN时，本发明电路即对超级电容进行限压充电，限压值为超级电容的额定电压U_scN。而当电路供电电压U_s低于超级电容的额定电压U_scN时，本发明电路即对超级电容进行电压跟踪充电，此时超级电容的充电电压即为电路供电电压U_s。

(3)电路工作过程：在本发明电路中，电压运放IC2及其外围RC元件组成PI型充电电压闭环调节器，电压反馈信号取自上输出电阻R5、下输出电阻R6、电压滤波电容C5构成的电压检测电路，电压运放IC2的输出值作为以电流运放IC2及其外围RC元件组成PI型充电电流闭环调节器的给定值，而电流反馈信号取自电流传感电阻Rs与检测运放IC4及其外围电路等构成的电流放大电路，其中的参数配合关系如式(11)所示。因在充电的动态过程中，电压运放IC2输出饱和，使充电电流保持最大以实现快速充电，根据式(9)最后决定了超级电容的充电电压。此外，电流运放IC2的输出信号作为PWM芯片的指令信号以驱动MOS管进行自动充电控制，二极管D1起续流作用，电感L1和超级电容SC1对PWM波形的充电电压构成LC滤波器。

Claims (2)

1.一种基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路，包括电源与驱动电路、检测与控制电路，其特征在于：

电源与驱动电路包括超级电容SC1、PWM芯片IC1、MOS管VT1、电源稳压管DW1、限压稳压管DW2、驱动稳压管DW3、二极管D1、电源电容C1、限压电容C2、驱动滤波电容C3、电压滤波电容C4、电感L1、限流电阻R1、上分压电阻R2、下分压电阻R3、驱动电阻R4、上输出电阻R5、下输出电阻R6、电流传感电阻Rs，电路供电电压端+Us端与限流电阻R1的一端、上分压电阻R2的一端、驱动电阻R4的一端、MOS管VT1的漏极端D端连接，限流电阻R1的另一端与辅助电源电压端+Vcc端、电源稳压管DW1的阴极、电源电容C1的一端连接，电源稳压管DW1的阳极、电源电容C1的另一端均与输入地端GND1端连接，上分压电阻R2的另一端与下分压电阻R3的一端、限压电容C2的一端、限压稳压管DW2的阴极、参考电压端Vref端连接，下分压电阻R3的另一端、限压电容C2的另一端、限压稳压管DW2的阳极均与输入地端GND1端连接，驱动电阻R4的另一端与PWM芯片IC1的供电输入端IN端、驱动稳压管DW3的阴极、驱动滤波电容C3的一端连接，驱动稳压管DW3的阳极、驱动滤波电容C3的另一端均与输入地端GND1端连接，PWM芯片IC1的使能端/ON端、地端GND端均与输入地端GND1端连接，PWM芯片IC1的输出端OUT端与MOS管VT1的栅极G端连接，PWM芯片IC1的反馈端FB端与电流运放IC3的输出端OUT端、电流负端电阻R13的一端连接，MOS管VT1的源极S端与电感L1的一端、二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极、电流传感电阻Rs的一端均与输入地端GND1端连接，电感L1的另一端与上输出电阻R5的一端、超级电容SC1的正端+端、电路输出电压端+Uout端连接，上输出电阻R5的另一端与下输出电阻R6的一端、电压滤波电容C4的一端、电压反馈电阻R9的一端连接，超级电容SC1的负端-端、下输出电阻R6的另一端、电压滤波电容C4的另一端、电流传感电阻Rs的另一端均与输出地端GND2端连接；

检测与控制电路包括电压运放IC2、电流运放IC3、检测运放IC4、电压正端电容C5、电压负端电容C6、电流负端电容C7、电流正端电容C8、电流滤波电容C9、电压输入电阻R7、电压正端电阻R8、电压反馈电阻R9、电压负端电阻R10、电流输入电阻R11、电流反馈电阻R12、电流负端电阻R13、电流正端电阻R14、负端检测电阻R15、放大电阻R16、正端检测电阻R17，电压输入电阻R7的一端与参考电压端Vref端连接，电压输入电阻R7的另一端与电压运放IC2的正输入端IN+端、电压正端电容C5的一端连接，电压正端电容C5的另一端与电压正端电阻R8的一端连接，电压正端电阻R8的另一端与输入地端GND1端连接，电压运放IC2的负输入端IN-端与电压负端电容C6一端、电压反馈电阻R9的另一端连接，电压负端电容C6另一端与电压负端电阻R10的一端连接，电压负端电阻R10的另一端与电压运放IC2的输出端OUT端、电流输入电阻R11的一端连接，电压运放IC2的正电源端+V端与辅助电源电压端+Vcc连接，电压运放IC2的地端GND端与输入地端GND1端连接，电流输入电阻R11的另一端与电流运放IC3的负输入端IN-端、电流负端电容C7的一端连接，电流负端电容C7的另一端与电流负端电阻R13的另一端连接，电流运放IC3的正输入端IN+端与电流反馈电阻R12的一端、电流正端电容C8的一端连接，电流正端电容C8的另一端与电流正端电阻R14的一端连接，电流正端电阻R14的另一端、电流运放IC3的地端GND端均与输入地端GND1端连接，电流反馈电阻R12的另一端与检测运放IC4的输出端OUT端、放大电阻R16的一端连接，放大电阻R16的另一端与负端检测电阻R15的一端、检测运放IC4的负输入端IN-端连接，负端检测电阻R15的另一端、电流滤波电容C9的一端、检测运放IC4的地端GND端均与输入地端GND1端连接，检测运放IC4的正电源端+V端与辅助电源电压端+Vcc连接，检测运放IC4的正输入端IN+端与电流滤波电容C9的另一端、正端检测电阻R17的一端连接，正端检测电阻R17的另一端与输出地端GND2端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于限压跟踪式的超级电容双闭环降压充电控制电路，其特征在于电路参数配合关系如下：

设：电路供电电压为U_s，电路辅助电源电压为V_cc，电路参考电压为V_ref，超级电容的额定电压为U_scN，超级电容的最大充电电流为I_scm，MOS管栅源极驱动电压阈值为U_gsth，限压稳压管DW2的稳压值为U_dw2，R₂、R₃、R₅、R₆分别为上分压电阻R2、下分压电阻R3、上输出电阻R5、下输出电阻R6的阻值，R₇、R₈、R₉、R₁₀分别为电压输入电阻R7、电压正端电阻R8、电压反馈电阻R9、电压负端电阻R10的阻值，R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄分别为电流输入电阻R11、电流反馈电阻R12、电流负端电阻R13、电流正端电阻R14的阻值，R₁₅、R₁₆分别为负端检测电阻R15、放大电阻R16的阻值，C₅、C₆、C₇、C₈分别为电压正端电容C5、电压负端电容C6、电流负端电容C7、电流正端电容C8的电容值，电压运放IC2、电流运放IC3、检测运放IC4均为满幅运放；则电路的参数配合关系如下：

R₇＝R₉ (1)

R₈＝R₁₀ (2)

R₁₁＝R₁₂ (3)

R₁₃＝R₁₄ (4)

C₅＝C₆ (5)

C₇＝C₈ (6)

U_gsth＜U_s (7)

V_ref≤V_cc (10)