CN111799874A - 一种超级电容的电源管理电路及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超级电容的电源管理电路及其实现方法。电路包括为超级电容模组充电的充电电路和供电电路。本设计可在系统断电时提供稳定的电源，从而保证车载电台稳定运行，大大降低故障率。采用升压电路为系统供电，随着超级电容模组为系统供电的过程，超级电容模组电压在不断下降，可避免超级电容模组在电压过低时不能正常为系统供电的情况，此种方式可为系统提供更加稳定的电源，同时也提高超级电容模组的使用效率。供电电路选用的升压芯片，其工作效率高达95%，输入电压范围宽，逐周期电流限制，可调节的工作频率和软启动时间，过压和欠压保护可调节，输出电压稳定；充电电流可调节，通过简单调节电阻的阻值即可达到调节电流的目的。

Description

一种超级电容的电源管理电路及其实现方法
技术领域
本发明涉及轨道交通设备，特别涉及一种超级电容的电源管理电路及其实现方法，用于给车载电台等设备提供必要的电源供应。
背景技术
由于轨道交通不断发展，逐渐完善成熟，在车载电台中越来越多地使用大容量存储设备，像SATA和NAND FLASH等，而这些设备在突然掉电时很容易产生文件碎片甚至损坏硬件设备。而且，目前主流的Linux、Android等操作系统在突然掉电时也可能导致系统崩溃。配备性能优良的备用电源已成为车载电台的必要趋势。轨道交通设备需要稳定且充足的电源供应，这就要求备用电源要有足够大的驱动电流和尽可能短的充电时间，还要有足够大的容量，从而在系统突然掉电后，备用电源能无缝提供足够的电源，使得系统能有充足的时间保存数据并正常关机。
经过分析，现阶段市面上的备用电源多采用降压充电方式，此种方式下，超级电容模组在充满电时的电压会比系统供电电压低1伏特左右，而模组开始工作时电压还会跌落1伏特左右，如此，当模组开始供电时电压就比系统电压低2伏特左右，而且随着模组供电过程中，模组的电压会逐渐降低，进而导致系统工作不稳定或不工作，为了避免这种情况发生，一般会盲目地对超级电容模组进行扩容，而导致模组的使用效率并不高。
发明内容
本发明为适应现在轨道交通中车载电台的稳定运行，提供一种备用电源的电源管理方式。超级电容的电源管理电路及其实现方法可在系统断电时提供稳定的电源，并且足够长的时间让系统保存重要的文件后执行正常关机程序。从而保证车载电台稳定运行，大大降低故障率。
本发明为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种超级电容的电源管理电路，其特征在于：包括为超级电容模组充电的充电电路和供电电路；所述充电电路采用型号为LM2904M运算放大器N1A，连接方式为：运算放大器N1A的2脚通过采样电阻R4接地，同时连接超级电容模组C3的负极；运算放大器N1A的3脚接到分压电阻R1和分压电阻R3的一端，分压电阻R1的另一端接系统的供电电源VSYS，分压电阻R3的另一端接地；运算放大器N1A的1脚通过电阻R2连接到三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极接系统的供电电源VSYS，同时通过二级管VD1输出给系统的电源，三极管VT1的发射极接到超级电容模组C3的正极，输出正极电压VCAP；运算放大器N1A的4脚接地，运算放大器N1A的8脚连接电容C1和电容C2的一端后接系统的供电电源VSYS，电容C1和电容C2的另一端连接后接地。
所述的供电电路采用型号为TPS43061RTE的升压芯片N2，连接方式为：升压芯片N2的1脚通过电阻R16接地，2脚通过电容C18接地，3脚通过电容C17、电容C16和电阻R15接地；4脚接到采样电阻R10和采样电阻R14一端，采样电阻R14的另一端接地，采样电阻R10的另一端通过采样电阻R9采集输出给系统的电源电压VPWR；升压芯片N2的5脚和6脚分别通过电阻R8和电阻R7连接到电阻R6两端，电阻R5和R6并联，同时电阻R5的一端连接电阻R7，另一端连接电阻R8；升压芯片N2的7脚连接电容C8、电容C7、电容C6、电容C5、电容C4的一端后接超级电容模组C3正极输出的正极电压VCAP，电容C8、电容C7、电容C6、电容C5、电容C4的另一端连接后接地；升压芯片N2的8脚通过电阻R12连接MOS管VT3的栅极，MOS管VT3的漏极接电感L1的一端，源极接地；升压芯片N2的10脚通过电容C15接地，11脚通过电容C14接到电感L1的一端，12脚连接MOS管VT2的源极，13脚通过电阻R13连接MOS管VT2的栅极，MOS管VT2的漏极连接电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13的一端后连接采样电阻R9，电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13的另一端连接后接地。
所述一种超级电容的电源管理电路的实现方法，其特征在于：在充电电路中将运算放大器的输出作为功率三极管的控制信号，当充电电流增大，电阻R4两端电压随之增大，增大到超过电阻R1和电阻R3两个分压电阻所分得的电压之后，运算放大器的输出将驱动三极管VT1关断，从而使充电电流减小，在连续工作状态下，三极管VT1将处于放大状态，维持充电电流并限制在设定电流以下；随着超级电容模组充电的进行，其两端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小，充电速率逐渐降低，限流电路将完全导通。
所述在供电电路中，电阻R16用于设置升压电路的工作频率，工作频率可通过电阻R16从50kHz到1MHz调节，软启动功能由电容C18设置，从而预防电流冲击，输出电压经电阻R9、电阻R10和电阻R14分压后给到反馈端，从而调节输出电压到设定值；电阻R5和电阻R6并联用于降低采样电阻阻值，减小功耗，增大额定电流；升压芯片N2的5脚和6脚分别连到采样电阻两端，得到采样电阻两端的压差，当电流增大时采样电阻两端电压差增大，升压芯片N2在得到这个压差后通过内部的逻辑控制器驱动外部MOS管VT2和MOS管VT3的通断，从而达到调节电流的功能；升压芯片N2的输入电压范围是4.5V到38V，超级电容模组放电时电压逐渐降低，在低电压状态下也能持续为系统供电，升压芯片N2可驱动两个MOS管，栅源电压达到5伏特时，MOS管应完全导通。
本发明的有益效果是：本设计的超级电容模组的供电电路选用TPS43061RTE的升压芯片，其工作效率高达95%，输入电压范围宽，逐周期电流限制，可调节的工作频率和软启动时间，过压和欠压保护可调节，输出电压稳定。充电电流可调节，通过简单调节电阻R4的阻值，或者调节电阻R1和电阻R3的比值即可达到调节电流的目的。
本设计采用升压电路为系统供电，随着超级电容模组为系统供电的过程，超级电容模组电压在不断下降，采用升压电路可避免超级电容模组在电压过低时不能正常为系统供电的情况，此种方式可为系统提供更加稳定的电源，同时也提高超级电容模组的使用效率。
附图说明
图1为本发明电路连接框图；
图2为图1中充电电路原理图；
图3为图1中供电电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种超级电容的电源管理电路包括为超级电容模组充电的充电电路和供电电路。充电电路和供电电路分别与超级电容模组连接，充电电路和供电电路分别与车载电台设备连接。
在系统连接过程中，车载电台设备与备用电源之间至少需要留出4线的接口，还要考虑连线的截面积以保证设备供电电流，其中一根连接线作为公共地线，一根连接线用于系统给备用电源充电，一根用于备用电源为系统供电，还有一根用于车载电台对备用电源的控制。超级电容模组应根据系统负载选择足够的容量和合适的额定电压（可选择型号为MK-16V-P10FYS的超级电容模组）。当车载电台设备上电开始工作时，超级电容模组就开始充电，充电完成后，设备可控制超级电容模组何时开始供电，由于系统供电电压略高于或等于超级电容模组的输出电压，实际上模组是不对外提供电能的，当系统掉电后，模组就可以及时为系统供电。系统在进行完必要的文件保存和传输之后执行正常关机程序。下次系统上电后，自动为超级电容模组进行充电。
如图2所示，充电电路采用型号为LM2904M运算放大器N1A，连接方式为：运算放大器N1A的2脚通过采样电阻R4接地，同时连接超级电容模组C3的负极；运算放大器N1A的3脚接到分压电阻R1和分压电阻R3的一端，分压电阻R1的另一端接系统的供电电源VSYS，分压电阻R3的另一端接地；运算放大器N1A的1脚通过电阻R2连接到三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极接系统的供电电源VSYS，同时通过二级管VD1输出给系统的电源，三极管VT1的发射极接到超级电容模组C3的正极，输出正极电压VCAP；运算放大器N1A的4脚接地，运算放大器N1A的8脚连接电容C1和电容C2的一端后接系统的供电电源VSYS，电容C1和电容C2的另一端连接后接地。
如图3所示，供电电路采用型号为TPS43061RTE的升压芯片N2，连接方式为：升压芯片N2的1脚通过电阻R16接地，2脚通过电容C18接地，3脚通过电容C17、电容C16和电阻R15接地；4脚接到采样电阻R10和采样电阻R14一端，采样电阻R14的另一端接地，采样电阻R10的另一端通过采样电阻R9采集输出给系统的电源电压VPWR，此处串联两个电阻方便调节采样电阻的阻值；升压芯片N2的5脚和6脚分别通过电阻R8和电阻R7连接到电阻R6两端，电阻R5和R6并联，同时电阻R5的一端连接电阻R7，另一端连接电阻R8；升压芯片N2的7脚连接电容C8、电容C7、电容C6、电容C5、电容C4的一端后接超级电容模组C3正极输出的正极电压VCAP，电容C8、电容C7、电容C6、电容C5、电容C4的另一端连接后接地；升压芯片N2的8脚通过电阻R12连接MOS管VT3的栅极，MOS管VT3的漏极接电感L1的一端，源极接地；升压芯片N2的10脚通过电容C15接地，11脚通过电容C14接到电感L1的一端，12脚连接MOS管VT2的源极，13脚通过电阻R13连接MOS管VT2的栅极，MOS管VT2的漏极连接电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13的一端后连接采样电阻R9，电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13的另一端连接后接地。
本发明设计原理及特点：本设计采用一种低成本的限流充电电路和一种稳定高效的升压供电电路。由于系统的供电电源一般比较稳定，故将其作为超级电容模组的充电电源，并采用一种简单的限流充电电路，从而节约成本。在充电电路中将运放的输出作为功率三极管的控制信号，当充电电流增大，电阻R4两端电压随之增大，增大到超过电阻R1和电阻R3两个分压电阻所分得的电压之后，运放的输出将驱动三极管VT1关断，从而使充电电流减小，在连续工作状态下，三极管VT1将处于放大状态，维持充电电流并限制在设定电流以下。随着超级电容模组充电的进行，其两端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小，充电速率逐渐降低，限流电路将完全导通。
在供电电路中，电阻R16用于设置升压电路的工作频率，工作频率可通过电阻R16从50kHz到1MHz调节，软启动功能可由电容C18设置，从而预防电流冲击，但电容C18的值不能太大，否则当系统掉电后，超级电容模组不能及时提供足够的电源。输出电压经电阻R9、电阻R10和电阻R14分压后给到反馈端，从而调节输出电压到设定值。电阻R5和电阻R6并联可使得采样电阻阻值更低，功耗减小，额定电流增大，升压芯片TPS43061RTE的5脚和6脚分别连到采样电阻两端，得到采样电阻两端的压差，当电流增大时采样电阻两端电压差增大，升压芯片N2在得到这个压差后通过内部的逻辑控制器驱动外部MOS管VT2和MOS管VT3的通断，从而达到调节电流的功能。升压芯片N2的输入电压范围是4.5V到38V，超级电容模组放电时电压逐渐降低，在低电压状态下也能持续为系统供电，超级电容模组的利用率大大提高。升压芯片N2可驱动两个MOS管，MOS管的选型应注意，栅源电压达到5伏特时，MOS管应完全导通，且需选用N沟道的MOS管，其耐压值应大于工作电压的2倍，额定电流应大于峰值电流的1.5倍。
本设计主要包含两个部分，即给超级电容模组充电的限流电路和模组为系统供电的升压限流电路。由于充电电压不能超过模组的额定电压，且充电曲线类似于log函数，所以充电到额定电压所需时间较长，而且电压很快会下降到系统所需电压的下限，导致系统不能正常工作。本设计不需等到模组电压升到额定电压即可工作，大大缩短充电时间，且模组的利用率大大提高。因此本设计采用简单且必要的限流电路进行充电，避免充电初期电流过大引起系统不能正常工作。模组为系统供电的电路采用升压电路，为系统提供稳定的电源。当系统上电时，系统的供电电源通过限流电路为模组充电。当系统断电时，模组通过升压电路为系统进行供电。

Claims (2)

1.一种超级电容的电源管理电路，其特征在于：包括为超级电容模组充电的充电电路和供电电路；所述充电电路采用型号为LM2904M运算放大器N1A，连接方式为：运算放大器N1A的2脚通过采样电阻R4接地，同时连接超级电容模组C3的负极；运算放大器N1A的3脚接到分压电阻R1和分压电阻R3的一端，分压电阻R1的另一端接系统的供电电源VSYS，分压电阻R3的另一端接地；运算放大器N1A的1脚通过电阻R2连接到三极管VT1的基极，三极管VT1的集电极接系统的供电电源VSYS，同时通过二级管VD1输出给系统的电源，三极管VT1的发射极接到超级电容模组C3的正极，输出正极电压VCAP；运算放大器N1A的4脚接地，运算放大器N1A的8脚连接电容C1和电容C2的一端后接系统的供电电源VSYS，电容C1和电容C2的另一端连接后接地；
所述的供电电路采用型号为TPS43061RTE的升压芯片N2，连接方式为：升压芯片N2的1脚通过电阻R16接地，2脚通过电容C18接地，3脚通过电容C17、电容C16和电阻R15接地；4脚接到采样电阻R10和采样电阻R14一端，采样电阻R14的另一端接地，采样电阻R10的另一端通过采样电阻R9采集输出给系统的电源电压VPWR；升压芯片N2的5脚和6脚分别通过电阻R8和电阻R7连接到电阻R6两端，电阻R5和R6并联，同时电阻R5的一端连接电阻R7，另一端连接电阻R8；升压芯片N2的7脚连接电容C8、电容C7、电容C6、电容C5、电容C4的一端后接超级电容模组C3正极输出的正极电压VCAP，电容C8、电容C7、电容C6、电容C5、电容C4的另一端连接后接地；升压芯片N2的8脚通过电阻R12连接MOS管VT3的栅极，MOS管VT3的漏极接电感L1的一端，源极接地；升压芯片N2的10脚通过电容C15接地，11脚通过电容C14接到电感L1的一端，12脚连接MOS管VT2的源极，13脚通过电阻R13连接MOS管VT2的栅极，MOS管VT2的漏极连接电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13的一端后连接采样电阻R9，电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13的另一端连接后接地。
2.一种如权利要求1所述的超级电容的电源管理电路的实现方法，其特征在于：在充电电路中将运算放大器的输出作为功率三极管的控制信号，当充电电流增大，电阻R4两端电压随之增大，增大到超过电阻R1和电阻R3两个分压电阻所分得的电压之后，运算放大器的输出将驱动三极管VT1关断，从而使充电电流减小，在连续工作状态下，三极管VT1将处于放大状态，维持充电电流并限制在设定电流以下；随着超级电容模组充电的进行，其两端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小，充电速率逐渐降低，限流电路将完全导通；
在供电电路中，电阻R16用于设置升压电路的工作频率，工作频率可通过电阻R16从50kHz到1MHz调节，软启动功能由电容C18设置，从而预防电流冲击，输出电压经电阻R9、电阻R10和电阻R14分压后给到反馈端，从而调节输出电压到设定值；电阻R5和电阻R6并联用于降低采样电阻阻值，减小功耗，增大额定电流；升压芯片N2的5脚和6脚分别连到采样电阻两端，得到采样电阻两端的压差，当电流增大时采样电阻两端电压差增大，升压芯片N2在得到这个压差后通过内部的逻辑控制器驱动外部MOS管VT2和MOS管VT3的通断，从而达到调节电流的功能；升压芯片N2的输入电压范围是4.5V到38V，超级电容模组放电时电压逐渐降低，在低电压状态下也能持续为系统供电，升压芯片N2可驱动两个MOS管，栅源电压达到5伏特时，MOS管应完全导通。
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