CN112583074A - 一种超级电容的充放电电路 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超级电容的充放电电路，包括超级电容、充电电路、放电电路和与超级电容连接的过压保护电路，过压保护电路用于在超级电容的电压超过设定电压时泄放多余的电荷以使超级电容的电压不大于设定电压。通过上述技术方案，在超级电容充放电过程中，两端电压超过设定电压时泄放多余的电荷，使得超级电容的电压保持在设定状态，避免了超级电容两端电压过压导致超级电容寿命降低、甚至失效导致备用电源功能丧失的恶劣后果。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种超级电容的充放电电路。
背景技术
目前应用于配网领域的超级电容备电方案通常采用两个或多个超级电容串联的形式，由于运行环境恶劣(运行环境温度为﹣40～75℃)，在长期充放电过程中，超级电容内阻会发生变化，导致串联超级电容分压变化，造成部分超级电容两端电压过压，超级电容寿命降低甚至失效，导致备用电源功能丧失。
鉴于上述现有技术，寻求一种带过压保护功能的超级电容的充放电电路是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种超级电容的充放电电路，用于在超级电容充放电过程中，两端电压超过设定电压时泄放多余的电荷，使得超级电容的电压保持在设定状态。
为解决上述技术问题，本申请提供一种超级电容的充放电电路，包括超级电容、与所述超级电容连接，用于为所述超级电容充电的充电电路以及与所述超级电容连接，用于为所述超级电容放电的放电电路，还包括与所述超级电容连接的过压保护电路，所述过压保护电路用于在所述超级电容的电压超过设定电压时泄放多余的电荷以使所述电压不大于所述设定电压。
优选地，所述过压保护电路包括与所述超级电容连接、用于监测所述电压的电压监测电路和与所述电压监测电路连接，用于在所述电压超过所述设定电压时泄放多余的电荷的泄放电路。
优选地，所述超级电容包括第一超级电容和第二超级电容，所述第一超级电容与所述第二超级电容串联连接；
则所述电压监测电路具体包括：第一电压比较器、第二电压比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；
所述第一电阻的第一端与所述第一超级电容的第一端连接，所述第二电阻的第一端与所述第一超级电容的第二端连接，所述第一电阻和所述第二电阻的公共端与所述第一电压比较器的控制端连接，所述第一电压比较器的第一端与所述第一超级电容的第二端连接，所述第一电压比较器的第二端与所述泄放电路连接；
所述第三电阻的第一端与所述第二超级电容的第一端连接，所述第四电阻的第一端与所述第二超级电容的第二端连接，所述第三电阻和所述第四电阻的公共端与所述第二电压比较器的控制端连接，所述第二电压比较器的第一端与所述第二超级电容的第二端连接，所述第二电压比较器的第二端与所述泄放电路连接。
优选地，所述泄放电路具体包括第一开关管、第二开关管、第五电阻和第六电阻；
所述第一开关管的控制端与所述第一电压比较器的第二端连接，所述第一开关管的第一端通过所述第五电阻与所述第一超级电容的第一端连接，所述第一开关管的第二端与所述第一超级电容的第二端连接；
所述第二开关管的控制端与所述第二电压比较器的第二端连接，所述第二开关管的第一端通过所述第六电阻与所述第二超级电容的第一端连接，所述第二开关管的第二端与所述第二超级电容的第二端连接。
优选地，所述充电电路具体包括降压芯片、第一电感、第七电阻和第八电阻；
所述降压芯片的输入端与充电电源连接，所述降压芯片的开关输出端通过所述第一电感与所述超级电容的充电端连接，所述降压芯片的反馈端与所述第七电阻和所述第八电阻的公共端连接，所述第七电阻的第一端与所述第一电感连接，所述第八电阻的第一端接地。
优选地，还包括分别与所述超级电容、所述充电电路和所述放电电路连接的充放电控制电路，所述充放电控制电路用于采集所述电压，并在预设时间内，在所述电压持续超过第一电压阈值或持续小于第二电压阈值的情况下，控制所述充电电路和所述放电电路分别与所述超级电容断开。
优选地，还包括分别与所述充电电源和所述放电电路连接的掉电检测电路，所述掉电检测电路用于检测所述充电电源是否存在充电电压，若是，则所述掉电检测电路控制所述放电电路不对外供电；若否，则所述掉电检测电路控制所述放电电路对外供电。
优选地，所述掉电检测电路具体包括掉电检测芯片和电压采样电路；
所述电压采样电路的输入端与所述充电电源连接，所述电压采样电路的输出端与所述掉电检测芯片的输入端连接，所述掉电检测芯片的输出端与所述放电电路连接。
优选地，所述电压采样电路具体包括第九电阻和第十电阻，所述第九电阻的第一端与所述充电电源连接，所述第十电阻的第一端接地，所述第九电阻和所述第十电阻的公共端与所述掉电检测芯片的输入端连接。
优选地，当所述超级电容的额定电压为2.7V时，所述设定电压具体为2.3V。
本申请所提供的超级电容的充放电电路，包括超级电容、充电电路、放电电路和与超级电容连接的过压保护电路，过压保护电路用于在超级电容的电压超过设定电压时泄放多余的电荷以使超级电容的电压不大于设定电压。通过上述技术方案，在超级电容充放电过程中，两端电压超过设定电压时泄放多余的电荷，使得超级电容的电压保持在设定状态，避免了超级电容两端电压过压导致超级电容寿命降低、甚至失效导致备用电源功能丧失的恶劣后果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种超级电容的充放电电路的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种超级电容的充放电电路的电路原理图；
图3为本申请实施例提供的另一种超级电容的充放电电路的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种超级电容的充放电电路的掉电检测电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种超级电容的充放电电路，用于在超级电容充放电过程中，两端电压超过设定电压时泄放多余的电荷，使得超级电容的电压保持在设定状态。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
需要说明的是，本申请中的V12P0均表示与充电电源14连接，充电电源14一般为12V电源；V3P3为芯片本身的供电电源，一般为3V。
图1为本申请实施例提供的一种超级电容的充放电电路的结构示意图。如图1所示，该电路包括超级电容10、与超级电容10连接，用于为超级电容10充电的充电电路11以及与超级电容10连接，用于为超级电容10放电的放电电路12，还包括与超级电容10连接的过压保护电路13，过压保护电路13用于在超级电容10的电压超过设定电压时泄放多余的电荷以使电压不大于设定电压。
考虑到超级电容10在充放电过程中，超级电容10内阻会发生变化，导致两端电压过压，影响超级电容10的使用寿命。
为解决以上问题，本申请设置了与超级电容10连接的过压保护电路13，其中，过压保护电路13与超级电容10并联连接，实时监测超级电容10的工作电压，当超级电容10两端的电压超过设定电压时，泄放超级电容10中多余的电荷，降低超级电容10两端的电压，确保超级电容10两端的电压不超过设定电压。
需要说明的是，本实施例中对于设定电压的具体数值不作限定，设定电压与超级电容10的额定电压相关，一般情况下，设定电压小于或者等于超级电容10的额定电压。
作为一种优选的实施例，当超级电容10的额定电压为2.7V时，设定电压具体为2.3V。
在具体实施中，超级电容工作电压越高使用寿命越低，为提高超级电容的使用寿命，根据超级电容使用寿命曲线，超级电容工作电压需降额使用，超级电容额定电压为2.7V，则设定电压设置为2.3V。
可以理解，本申请所提到的超级电容10可以是单个超级电容或者多个超级电容通过串联、并联或者混联的方式装设，本申请对此不作限定。
本申请所提供的超级电容的充放电电路，包括超级电容、充电电路、放电电路和与超级电容连接的过压保护电路，过压保护电路用于在超级电容的电压超过设定电压时泄放多余的电荷以使超级电容的电压不大于设定电压。通过上述技术方案，在超级电容充放电过程中，两端电压超过设定电压时泄放多余的电荷，使得超级电容的电压保持在设定状态，避免了超级电容两端电压过压导致超级电容寿命降低、甚至失效导致备用电源功能丧失的恶劣后果。
在上述实施例的基础上，请参照图2，图2为本申请实施例提供的一种超级电容10的充放电电路的电路原理图。
进一步地，过压保护电路13包括与超级电容10连接、用于监测电压的电压监测电路和与电压监测电路连接，用于在电压超过设定电压时泄放多余的电荷的泄放电路。
具体地，超级电容10由两个超级电容串联的形式设置，即超级电容10包括第一超级电容C1和第二超级电容C2，第一超级电容C1与第二超级电容C2串联连接；
则电压监测电路具体包括：第一电压比较器T1、第二电压比较器T2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4；
第一电阻R1的第一端与第一超级电容C1的第一端连接，第二电阻R2的第一端与第一超级电容C1的第二端连接，第一电阻R1和第二电阻R2的公共端与第一电压比较器T1的控制端K1连接，第一电压比较器T1的第一端E1与第一超级电容C1的第二端连接，第一电压比较器T1的第二端F1与泄放电路连接；
第三电阻R3的第一端与第二超级电容C2的第一端连接，第四电阻R4的第一端与第二超级电容C2的第二端连接，第三电阻R3和第四电阻R4的公共端与第二电压比较器T2的控制端K2连接，第二电压比较器T2的第一端E2与第二超级电容C2的第二端连接，第二电压比较器T2的第二端F2与泄放电路连接。
泄放电路具体包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五电阻R5和第六电阻R6；
第一开关管Q1的控制端G1与第一电压比较器T1的第二端F1连接，第一开关管Q1的第一端S1通过第五电阻R5与第一超级电容C1的第一端连接，第一开关管Q1的第二端D1与第一超级电容C1的第二端连接；
第二开关管Q2的控制端G2与第二电压比较器T2的第二端F2连接，第二开关管Q2的第一端S2通过第六电阻R6与第二超级电容C2的第一端连接，第二开关管Q2的第二端D2与第二超级电容C2的第二端连接。
需要说明的是，本申请并没有对第一开关管Q1和第二开关管Q2的类型有限制，只要实现相关功能即可，根据实际情况，可以是由三极管、场效应管、绝缘栅双极型晶体管等构成，图2中以型号为IRLML6401的场效应管作为第一开关管Q1和第二开关管Q2进行说明。此外，第一电压比较器T1和第二电压比较器T2采用型号为TLVH431的芯片是一种优选的实施例，但不局限于这种方式，根据电路实际情况可以还可以是其它能够实现本申请相关功能的芯片或者电路结构。
如图2所示，在具体实施中，过压保护电路13还包括第十一电阻R11和第十二电阻R12，第十一电阻R11和第十二电阻R12为第一开关管Q1和第二开关管Q2的上拉电阻。当第一超级电容C1和第二超级电容C2两端的电压超过设定电压时，第一电压比较器T1和第二电压比较器T2输出低电平，控制第一开关管Q1和第二开关管Q2导通，将第一超级电容C1和第二超级电容C2中多余的电荷泄放掉，其中，第五电阻R5和第六电阻R6为放电电阻，如图2所示，为了加快放电速度，还包括与第五电阻R5并联的第十三电阻R13和与第六电阻R6并联的第十四电阻R14，第十三电阻R13与第十四电阻R14均为放电电阻，与第五电阻R5和第六电阻R6共同作用，实现电荷的泄放，以确保第一超级电容C1和第二超级电容C2的工作电压不超过设定电压。
本申请所提供的超级电容的充放电电路，包括用于监测电压的电压监测电路和用于在电压超过设定电压时泄放多余的电荷的泄放电路，并且给出了电压监测电路与泄放电路的具体结构。通过上述技术方案，在第一超级电容和第二超级电容充放电过程中，两端电压超过设定电压时泄放多余的电荷，使得第一超级电容和第二超级电容的电压保持在设定状态，避免了第一超级电容和第二超级电容串联导致的分压不均，造成两端电压过压导致超级电容寿命降低、甚至失效导致备用电源功能丧失的恶劣后果。
考虑到目前用于配网领域的超级电容备电方案存在超级电容10充电初期由于充电电流很大，瞬间大负荷对充电电源14造成冲击，导致充电电源14电压不稳定的情况，作为一种优选的实施例，充电电路11具体包括降压芯片U1、第一电感L1、第七电阻R7和第八电阻R8；
降压芯片U1的输入端VIN与充电电源14连接，降压芯片U1的开关输出端SW通过第一电感L1与超级电容10的充电端连接，降压芯片U1的反馈端FB与第七电阻R7和第八电阻R8的公共端连接，第七电阻R7的第一端与第一电感L1连接，第八电阻R8的第一端接地。
作为优选方案，本实施例中，降压芯片U1具体为DCDC芯片，型号为JW5108，JW5108具有过流保护和短路保护作用，当输出的充电电流超过0.8A时，JW5108输出的电流恒定为0.8A。如图2所示，充电电路11还包括自举电容C3和输出滤波电容C4，自举电容C3在通过第一电感L1为超级电容10充电时，为降压芯片U1内部的场效应管提供一个初始电压，输出滤波电容C4滤除纹波电压。第七电阻R7和第八电阻R8为反馈电阻，能够稳定输出至超级电容10的电压。例如，当超级电容10由第一超级电容C1和第二超级电容C2串联组成时，第七电阻R7和第八电阻R8确定输出电压为4.6V。
本申请所提供的超级电容的充放电电路，充电电路采用具有过流保护的DCDC芯片对超级电容充电，避免超级电容开始充电初期由于超级电容充电电流过大，造成对充电电源的冲击。
在具体实施中，当超级电容10失效后，若不及时处理，最终可能会导致超级电容10的电解液泄露，超级电容10的电解液腐蚀印制板，引起印制板短路烧坏等问题。
考虑到上述问题，在上述实施例的基础上，请参照图3，图3为本申请实施例提供的另一种超级电容的充放电电路的结构示意图。作为一种优选的实施例，还包括分别与超级电容10、充电电路11和放电电路12连接的充放电控制电路15，充放电控制电路15用于采集电压，并在预设时间内，在电压持续超过第一电压阈值或持续小于第二电压阈值的情况下，控制充电电路11和放电电路12分别与超级电容10断开。
在具体实施中，如图2所示，充放电控制电路15通过V_CAP1和V_CAP2与第一超级电容C1和第二超级电容C2连接，其中，第一超级电容C1的工作电压为V_CAP1－V_CAP2，第二超级电容C2的工作电压为V_CAP2。放电控制电路15采集第一超级电容C1和第二超级电容C2的工作电压，在预设时间内，如果第一超级电容C1和/或第二超级电容C2的工作电压持续超过第一电压阈值或持续小于第二电压阈值，则判断第一超级电容C1和/或第二超级电容C2异常，分别向充电电路11和放电电路12的使能引脚输出低电平的CHARG_CTRL和FL_CTRL信号，以关闭超级电容10与充电电路11和放电电路12的连接，将异常的超级电容10隔离，保护其他电路不受影响。
本申请所提供的超级电容的充放电电路，包括分别与超级电容、充电电路和放电电路连接的充放电控制电路，充放电控制电路实时监测超级电容的工作状态，当超级电容出现故障时，关闭超级电容的充放电电路，避免故障超级电容电路影响其它功能电路。
图4为本申请实施例提供的一种超级电容的充放电电路的掉电检测电路原理图。如图4所示，作为一种优选的实施例，还包括分别与充电电源14和放电电路12连接的掉电检测电路16，掉电检测电路16用于检测充电电源14是否存在充电电压，若是，则掉电检测电路16控制放电电路12不对外供电；若否，则掉电检测电路16控制放电电路12对外供电。
进一步地，掉电检测电路16具体包括掉电检测芯片U2和电压采样电路；
电压采样电路的输入端与充电电源14连接，电压采样电路的输出端与掉电检测芯片的输入端连接，掉电检测芯片U2的输出端与放电电路12连接。
进一步地，电压采样电路具体包括第九电阻R9和第十电阻R10，第九电阻R9的第一端与充电电源14连接，第十电阻R10的第一端接地，第九电阻R9和第十电阻R10的公共端与掉电检测芯片U2的输入端连接。
作为优选方案，本实施例中，掉电检测芯片U2选用型号为MAX706的芯片。如图4所示，掉电检测电路16还包括第十五电阻R15、第十六电阻R16、第五电容C5和第六电容C6，第十五电阻R15和第十六电阻R16为上拉电阻，第五电容C5和第六电容C6为滤波电容，滤除纹波电压。
在具体实施中，掉电检测电路16的输入端PFI存在输入电压时，此电压大于掉电检测电路16的内置门槛值，则掉电检测电路16通过输出端PFO输出有电信号(VDOWN为高电平)给充放电控制电路15，充放电控制电路15控制放电电路12的使能脚FL_CTRL置低，升压芯片U3停止工作，超级电容10停止放电，进入充电状态，系统由外部充电电源14供电。系统掉电时，即掉电检测电路16的输入端PFI不存在电源接入时，充放电控制电路15控制放电电路12的使能脚FL_CTRL置高，升压芯片U3被使能，开始正常工作，此时超级电容10开始对外供电，供电电压经过升压芯片U3升压后由VOUT正常输出。
本申请所提供的超级电容的充放电电路，掉电检测芯片U2及充放电控制电路15组成的逻辑电路实现了超级电容的掉电自动无缝切换。
以上对本申请所提供的一种超级电容的充放电电路进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种超级电容的充放电电路，包括超级电容、与所述超级电容连接，用于为所述超级电容充电的充电电路以及与所述超级电容连接，用于为所述超级电容放电的放电电路，其特征在于，还包括与所述超级电容连接的过压保护电路，所述过压保护电路用于在所述超级电容的电压超过设定电压时泄放多余的电荷以使所述电压不大于所述设定电压。
2.如权利要求1所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述过压保护电路包括与所述超级电容连接、用于监测所述电压的电压监测电路和与所述电压监测电路连接，用于在所述电压超过所述设定电压时泄放多余的电荷的泄放电路。
3.如权利要求2所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述超级电容包括第一超级电容和第二超级电容，所述第一超级电容与所述第二超级电容串联连接；
则所述电压监测电路具体包括：第一电压比较器、第二电压比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；
所述第一电阻的第一端与所述第一超级电容的第一端连接，所述第二电阻的第一端与所述第一超级电容的第二端连接，所述第一电阻和所述第二电阻的公共端与所述第一电压比较器的控制端连接，所述第一电压比较器的第一端与所述第一超级电容的第二端连接，所述第一电压比较器的第二端与所述泄放电路连接；
所述第三电阻的第一端与所述第二超级电容的第一端连接，所述第四电阻的第一端与所述第二超级电容的第二端连接，所述第三电阻和所述第四电阻的公共端与所述第二电压比较器的控制端连接，所述第二电压比较器的第一端与所述第二超级电容的第二端连接，所述第二电压比较器的第二端与所述泄放电路连接。
4.如权利要求3所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述泄放电路具体包括第一开关管、第二开关管、第五电阻和第六电阻；
所述第一开关管的控制端与所述第一电压比较器的第二端连接，所述第一开关管的第一端通过所述第五电阻与所述第一超级电容的第一端连接，所述第一开关管的第二端与所述第一超级电容的第二端连接；
所述第二开关管的控制端与所述第二电压比较器的第二端连接，所述第二开关管的第一端通过所述第六电阻与所述第二超级电容的第一端连接，所述第二开关管的第二端与所述第二超级电容的第二端连接。
5.如权利要求1所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述充电电路具体包括降压芯片、第一电感、第七电阻和第八电阻；
所述降压芯片的输入端与充电电源连接，所述降压芯片的开关输出端通过所述第一电感与所述超级电容的充电端连接，所述降压芯片的反馈端与所述第七电阻和所述第八电阻的公共端连接，所述第七电阻的第一端与所述第一电感连接，所述第八电阻的第一端接地。
6.如权利要求5所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，还包括分别与所述超级电容、所述充电电路和所述放电电路连接的充放电控制电路，所述充放电控制电路用于采集所述电压，并在预设时间内，在所述电压持续超过第一电压阈值或持续小于第二电压阈值的情况下，控制所述充电电路和所述放电电路分别与所述超级电容断开。
7.如权利要求6所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，还包括分别与所述充电电源和所述放电电路连接的掉电检测电路，所述掉电检测电路用于检测所述充电电源是否存在充电电压，若是，则所述掉电检测电路控制所述放电电路不对外供电；若否，则所述掉电检测电路控制所述放电电路对外供电。
8.如权利要求7所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述掉电检测电路具体包括掉电检测芯片和电压采样电路；
所述电压采样电路的输入端与所述充电电源连接，所述电压采样电路的输出端与所述掉电检测芯片的输入端连接，所述掉电检测芯片的输出端与所述放电电路连接。
9.如权利要求8所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，所述电压采样电路具体包括第九电阻和第十电阻，所述第九电阻的第一端与所述充电电源连接，所述第十电阻的第一端接地，所述第九电阻和所述第十电阻的公共端与所述掉电检测芯片的输入端连接。
10.如权利要求2所述的超级电容的充放电电路，其特征在于，当所述超级电容的额定电压为2.7V时，所述设定电压具体为2.3V。
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