CN112636450A - 一种基于超级电容的保护电路 - Google Patents

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喻呈东
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Abstract

本发明公开了一种基于超级电容的保护电路，包括充电电路、超级电容模组、电压转换电路和切换电路；所述充电电路与所述超级电容模组连接，所述充电电路用于给所述超级电容模组充电；所述电压转换电路与所述超级电容模组连接，所述电压转换电路用于控制所述超级电容模组的电压输出；所述电压转换电路的输出端与所述切换电路连接，所述切换电路还连接主板、硬盘和所述主电源，所述切换电路用于在所述主电源断电时切换所述超级电容模组为所述主板和所述硬盘供电。本发明可提高了机顶盒备用电源的可靠性和安全性。

Description

一种基于超级电容的保护电路
技术领域
本发明涉及数字多媒体设备领域，特别是涉及一种采用超级电容对机顶盒硬盘保护的保护电路。
背景技术
硬盘在突然断电时易损坏，从而导致其内容数据丢失。为了防止此类情况发生，提出了许多硬盘数据防护方案，其中主要包括有采用锂电池为硬盘设备提供不间断电源。例如在申请号为CN201620342582.6，名称为一种集成不间断电源的物联网通讯盒的专利中，公开了在物联网通讯盒内设置锂电池作为不间断电源；在申请号为CN201220161096.6，名称为可实现硬盘掉电保护的电子设备的专利中，公开了在基于ARM系统的机顶盒装置中采用锂电池作为备用电源。
因为手机等便携消费类产品的普及，锂电池电源管理芯片很成熟，但锂电池不适合机顶盒类的产品。由于场所的施工及装修等要求，机顶盒一般都是隐藏在机柜内，并和其他的设备叠放等，这些都增加了以锂电池为不间断电源的不可控因素，比如锂电池自然，爆炸等，而且由于设备是隐藏起来的，温度往往较高，且不易被发现，从而增加了锂电池异常的风险。
发明内容
为此，需要提供一种基于超级电容的保护电路，用于解决现有锂电池用于机顶盒备用电源存在安全问题的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于超级电容的保护电路，包括：充电电路、超级电容模组、电压转换电路、切换电路和充放电管理电路；
所述充电电路与所述充放电管理电路连接；
所述充电电路与所述超级电容模组连接，所述充电电路用于给所述超级电容模组充电；
所述电压转换电路与所述超级电容模组连接，所述电压转换电路用于对超级电容模组输出电压进行稳压处理；
所述电压转换电路的输出端与所述切换电路连接，所述切换电路还连接主板和主电源，所述切换电路用于在所述主电源断电时切换所述超级电容模组为所述主板供电。
进一步的，当切换所述超级电容模组为所述主板供电后，所述主板执行关机程序。
进一步的，所述充电电路的输入端连接至所述主电源，当所述切换电路切换所述主电源为所述主板供电时，所述充放电管理电路控制所述充电电路延迟预设时间后对所述超级电容模组进行充电。
在主电源通电后：
进一步的，所述充放电管理电路控制所述充电电路延迟预设时间后对所述超级电容模组进行充电时，在充电开始后的预设时长内所述充电电路采用限流充电模式对所述超级电容模组进行充电。
进一步的，所述充放电管理电路还与所述超级电容模组连接；
所述充放电管理电路用于检测所述超级电容模组的电压，并根据所述超级电容模组的电压控制所述充电电路和/或所述电压转换电路。
进一步的，在主电源通电时,通过主电源给超级电容模组充电；当所述超级电容模组的电压大于第一电压值或所述超级电容模组内单个超级电容的电压大于第二电压值时，所述充放电管理电路控制所述充电电路停止充电；
当所述超级电容模组的电压大于第三电压值时，所述充放电管理电路控制所述充电电路采用恒压充电模式对所述超级电容模组进行充电；
当所述超级电容模组的电压大于第四电压值时，所述充放电管理电路打开所述电压转换电路，否则电压转换电路保持关闭；
其中，所述第一电压值大于所述第三电压值，所述第三电压值大于所述第四电压值，所述第四电压值大于所述第二电压值。
在主电源断电后：
进一步的，在主电源断电时，超级电容模组进行放电；当所述充放电管理电路接收到所述主板的关机完成信号时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路；或
当所述超级电容模组的电压小于第五电压值时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路；所述第五电压值小于所述第四电压值。
进一步的，所述主电源为电源适配器，所述切换电路和所述充电电路分别连接于所述适配器的电源输出端。
进一步的，所述主板为机顶盒内的主板，所述机顶盒应用于数字视听场所内的多媒体文件点播。
区别于现有技术，上述技术方案采用超级电容模组作为储能单元为机顶盒提供备用电源，避免了采用锂电池作为机顶盒备用电源的安全问题，提高了机顶盒备用电源的可靠性和安全性。
并且，上述技术方案还可对超级电容模组进行限流充电和恒压充电，提高了超级电容模组的充电效率。
并且，上述技术方案在机顶盒电源切换过程中，控制充电电路延迟进行充电，并进一步的控制充电电路在刚开始充电时采用限流模式充电，从而确保在机顶盒启动及超级电容模组充电时电压的稳定性，降低机顶盒对适配器功率的需求，因为硬盘在启动初期，对电流需求较大。
并且，上述技术方案检测所述超级电容模组的电压，并根据所述超级电容模组的电压控制所述充电电路和/或所述电压转换电路，从而有效保护超级电容模组和机顶盒，并且可避免超级电容个体之间内阻差异，导致分压不一致，增加超级电容模组的寿命。
附图说明
图1为具体实施方式所述基于超级电容的保护电路的模块框图；
附图标记说明：
10、充电电路；
20、超级电容模组；
30、电压转换电路；
40、切换电路；
50、主电源；
60、充放电管理电路；
70、主板；
80、硬盘；
100、机顶盒；
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施方式提供了一种基于超级电容的保护电路。通过该保护电路可在主电源断电时对主板70提供电源，所述主板连接有硬盘80，硬盘80由主板提供电源，从而防止硬盘80突然断电而造成的损坏。
如图1所示，所述基于超级电容的保护电路包括：充电电路10、超级电容模组20、电压转换电路30、切换电路40和充放电管理电路60。
所述充电电路10与所述充放电管理电路60连接。
所述充电电路10与所述超级电容模组20连接，所述充电电路10用于给所述超级电容模组20充电；所述电压转换电路30与所述超级电容模组20的输出端连接，所述电压转换电路30用于对超级电容模组的输出电压进行稳压处理，即将超级电容模组输出电压转换为稳定的电压；所述电压转换电路30的输出端与所述切换电路40连接，所述切换电路40的输出端与主板70连接，所述主板70连接有硬盘80，硬盘80由主板70提供电源。切换电路40的输入端连接主电源50，所述切换电路40用于在主电源50断电时，断开主板70与主电源50的电连接，并切换所述超级电容模组20为所述主板和所述硬盘供电。
所述切换电路40具有两个电源输入和一个电源输出，两个电源输入分别连接主电源50和电压转换电路30，所述电源输出连接主板70，所述切换电路在主电源50断电时切换至超级电容模组为主板和硬盘供电。
其中，所述超级电容模组20可以由两个以上的超级电容通过串联、并联或混联等方式连接形成。在一些实施方式中超级电容模组也可仅具有一个超级电容。超级电容又叫双电层电容，其通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。超级电容是介于电容器和电池之间的储能器件，既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。
所述充电电路10的输入端与主电源50连接，充电电路10的输出端与超级电容模组20连接，充电电路10对主电源50的输出电压或电流进行调整，以适配超级电容模组的充电要求。其中，为了保证充电电路输出电压的品质，所述充电电路可包括电压转换模块、限流模块以及恒压模块。电压转换模块与限流模块连接，限流模块与恒压模块并联。在限流模式，电压转换模块经过限流模块与超级电容模组连接；在恒压模式，电压转换模块经过恒压模块与超级电容模组连接。
由于超级电容模组的输出电压的波动范围较大，在所述超级电容模组20的输出端连接有电压转换电路30，电压转换电路30可包括稳压模块，通过稳压模块对超级电容模组的输出电压进行稳压处理，使超级电容模组能够为主板和硬盘持续提供稳定的电源电压。电压转换电路内还可设置有通断开关，用于控制超级电容模组与切换电路之间的导通或断开。
现有技术中缺少针对超级电容模组的电源管理芯片，而本实施方式中，通过设置充电电路10对超级电容模组20进行充电管理，可防止超级电容模组20过充，提升超级电容模组的使用率/寿命，当超级电容模组20充电电压达到设定值后，允许超级电容模组作为辅助电源在主电源断电时为硬盘80供电。通过电压转换电路30可转换超级电容模组20的输出电压，并对超级电容模组的输出电压进行稳压处理，使超级电容模组20可为硬盘持续提供稳定的电源。并且通过切换电路在所述主电源断电时切换所述超级电容模组为所述主板和所述硬盘供电，从而防止硬盘突然断电而造成的损坏。
相对于锂电池，超级电容模组具有更好的稳定性，对温度、通风等条件要求较低，因此上述基于超级电容的保护电路可应用于一些安装环境较苛刻的环境中。例如，在一实施方式中，所述主板70和硬盘80可以为机顶盒100中的主板和硬盘，所述主板70和硬盘80设置于机顶盒100的壳体内部，并且超级电容模组也可设置于壳体内部。所述机顶盒可隐藏设置在机柜，并且机顶盒100可以与机柜内的其他的设备叠放。优选的，所述机顶盒设置于数字视听场所内，所述机顶盒连接视频播放屏幕、点歌屏以及音响设备等，所述机顶盒应用于数字视听场所内的多媒体文件点播。
在一实施方式中，所述超级电容模组的容量较小，无法为主板和硬盘长时间供电，因此，当所述切换电路检测到主电源断电并切换所述超级电容模组为所述主板和所述硬盘供电后，系统立即启动硬盘保护，并控制所述主板执行关机程序。在关机过程中主板对设备的数据进行保存，并退出正在执行的程序，最后再断开主板和硬盘的电源。当然，如果超级电容模组的容量较大，可以先由超级电容模组为主板和硬盘提供电源，使包含所述主板和硬盘的机顶盒正常运行一段时间后再执行关机程序。
如图1所示，为了方便控制述充电电路10、超级电容模组20以及电压转换电路30等，所述基于超级电容的保护电路中所述充放电管理电路60可以采用单片机为主控芯片，也可以是SOC等作为主控，所述充电电路和所述超级电容模组分别与所述充放电管理电路连接。如图1所示，其中实线表示各电路模块之间的供电连接，图中的虚线以及箭头表示控制信号(即控制连接)。
通过充放电管理电路60可对充电电路10进行控制，其中可控制充电电路在限流充电模式和快速充电模式(即恒压充电模式)之间切换。超级电容模组的充电电路10是一个电压转换电路，将主电源电压转换到超级电容的充电电压Usc。在一实施方式中，充电电路10包括电压转换电路，在电压转换电路后接一个限流电阻Rsc(限流电阻同时并联一个开关管)，然后接超级电容模组。当在限流模式充电时，电压Usc经过限流电阻Rsc充电，最大充电电流为Usc/Rsc；当在恒压模式时，电压Usc经过限流电阻并联的开关管充电(充放电管理模块会打开开关管，短路限流电阻Rsc)，这样充电电压为Usc，电流与超级电容模组当前的电压和内阻有关。
充放电管理电路60还检测主电源50的输出状态(即输出电压值)，当主电源的输出电压低于预设值(或输出电压为0时)，则判定主电源断电。
充放电管理电路60还对电压转换电路30进行开关控制，当主电源输出电压在正常范围内时，控制电压转换电路断开超级电容模组与切换电路的连接；当检测到主电源断电时，控制电压转换电路导通超级电容模组与切换电路的连接。在一实施方式中，切换电路40可实现自动切换，切换电路40采用两个单向二极管实现，当主电源电压高于超级电容模组的电压时，使用主电源，当主电源低于辅助电源时，自动切换到辅助电源(即超级电容模组)。在从主电源切换到辅助电源的过程中，会存在主电源和辅助电源同时供电，但因为二极管的单向导通性，主电源和辅助电源不会相互影响。因为这一特点，也保证输出电源的稳定和平稳切换，避免出现电压跌落。并且在本实施方式中，采用两个单向二极管实现主电源断电自动切换到辅助电源，其切换所需的时间极短从而可避免主电源切换到辅助电源的过中会短暂的无电源的现象，从而保证了电源切换时电压的稳定性，确保在切过程中硬盘能够正常运转。
所述充放电管理电路60还可检测超级电容模组20的电压值以及超级电容模组内各单个超级电容的电压值；避免因超级电容个体之间内阻差异，导致的分压不一致。
由于超级电容模组的容量较大，充电时间也相应的较长，上述实施方式中充放电管理电路60根据超级电容模组20的状态(电压值等)选择对超级电容模组进行限流充电模式或快速充电模式，可有效缩短超级电容模组的充电时间。
如图1所示，所述充电电路10的输入端以及所述切换电路40的输入端均连接至所述主电源50，因此当主板70首次上电或在主电源断电后再次上电时，主电源除了给主板和硬盘供电，还要给超级电容模组充电，而硬盘启动对电流的需求较大(硬盘内部有电机)，如果同时给超级电容充电，可能会因为主电源(即外置适配器)功率不足导致硬盘识别问题。因此，为了避免这一情况的发生，在当所述切换电路切换所述主电源为所述主板供电时，所述充放电管理电路控制所述充电电路延迟预设时间后对所述超级电容模组进行充电。例如，在一实施方式中，当主板首次上电，需要等2分钟后才打开充电电路对超级电容模组进行充电。并且在开始充电的前几分钟内充电电路只能采用限流充电模式。
在超级电容模组充电过程中，充放电管理电路还监控超级电容模组的电压，并根据所述超级电容模组的电压控制所述充电电路和/或所述电压转换电路，实现对超级电容模组的充放电控制。
当所述超级电容模组的电压大于第一电压值或所述超级电容模组内单个超级电容的电压大于第二电压值时，所述充放电管理电路控制所述充电电路停止充电；
当所述超级电容模组的电压大于第三电压值时，所述充放电管理电路控制所述充电电路采用恒压充电模式对所述超级电容模组进行充电；
当所述超级电容模组的电压大于第四电压值时，所述充放电管理电路打开所述电压转换电路，否则电压转换电路保持关闭；
其中，所述第一电压值大于所述第三电压值，所述第三电压值大于所述第四电压值，所述第四电压值大于所述第二电压值。
当所述充放电管理电路接收到所述主板的关机完成信号时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路；或当所述超级电容模组的电压小于第五电压值时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路；所述第五电压值小于所述第四电压值。
例如，在一实施方式中，在主电源通电时(超级电容模组充电)，所述充放电管理电路检测超级电容模组的电压以及超级电容模组内各超级电容的电压。当检测到超级电容模组的电压大于7.6V(即第一电压值)或者某个超级电容电压大于2.6V(即第二电压值)时，充放电管理电路关闭充电电路。如果继续充电，可能会导致超级电容模组过充，降低超级电容模组的使用寿命。当超级电容模组的电压大于7.6V(即第一电压值)时，可认为超级电容模组已经充满，此时充放电管理电路也关闭充电电路。当超级电容模组电压大于7.0V(即第三电压值)时，充放电管理电路可以控制充电电路打开快速充电通路，执行快速充电(即恒压充电模式)，以缩短超级电容模组的充电时间。当超级电容模组电压大于6.8V(即第四电压值)时，充放电管理电路可打开电压转换电路(辅助电源通道)，可以为单次主板和硬盘保护提供足够的电能；充电状态超级电容模组等于或小于6.8V(即第四电压值)时，所述充放电管理电路不打开电压转换电路(即关闭辅助电源通道)；在主电源断电时(超级电容模组放电)，如果放电管理电路接收到主板的发送的关机完成信号时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路；或当所述超级电容模组的电压小于4.8V(即第五电压值)时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路。
在上述实施方式中，所述主电源为电源适配器，电源适配器连接市电，所述切换电路和所述充电电路分别连接于所述适配器的电源输出端，即通过一个电源适配器同时为切换电路(包括与其连接的主板和硬盘)供电以及为超级电容模组供电。而在另一些实施方式中，可以设置两个电源适配器，其中一个电源适配器为切换电路以及与其连接的主板和硬盘供电，另一电源适配器为所述超级电容模组供电。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超级电容的保护电路，其特征在于，包括：充电电路、超级电容模组、电压转换电路、切换电路和充放电管理电路；
所述充电电路与所述充放电管理电路连接；
所述充电电路与所述超级电容模组连接，所述充电电路用于给所述超级电容模组充电；
所述电压转换电路与所述超级电容模组连接，所述电压转换电路用于对超级电容模组输出电压进行稳压处理；
所述电压转换电路的输出端与所述切换电路连接，所述切换电路还连接主板和主电源，所述切换电路用于在所述主电源断电时切换所述超级电容模组为所述主板供电。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，当切换所述超级电容模组为所述主板供电后，所述主板执行关机程序。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，所述充电电路的输入端连接至所述主电源，当所述切换电路切换所述主电源为所述主板供电时，所述充放电管理电路控制所述充电电路延迟预设时间后对所述超级电容模组进行充电。
4.根据权利要求3所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，所述充放电管理电路控制所述充电电路延迟预设时间后对所述超级电容模组进行充电时，在充电开始后的预设时长内所述充电电路采用限流充电模式对所述超级电容模组进行充电。
5.根据权利要求1所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，所述充放电管理电路还与所述超级电容模组连接；
所述充放电管理电路用于检测所述超级电容模组的电压，并根据所述超级电容模组的电压控制所述充电电路和/或所述电压转换电路。
6.根据权利要求3或5所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，在主电源通电时,通过主电源给超级电容模组充电；当所述超级电容模组的电压大于第一电压值或所述超级电容模组内单个超级电容的电压超过第二电压值时，所述充放电管理电路控制所述充电电路停止充电；
当所述超级电容模组的电压大于第三电压值时，所述充放电管理电路控制所述充电电路采用恒压充电模式对所述超级电容模组进行充电；
当所述超级电容模组的电压大于第四电压值时，所述充放电管理电路打开所述电压转换电路，否则电压转换电路保持关闭；
其中，所述第一电压值大于所述第三电压值，所述第三电压值大于所述第四电压值，所述第四电压值大于所述第二电压值。
7.根据权利要求3或5所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，
在主电源断电时，超级电容模组进行放电；当所述充放电管理电路接收到所述主板的关机完成信号时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路；或
当所述超级电容模组的电压小于第五电压值时，所述充放电管理电路关闭所述电压转换电路；所述第五电压值小于所述第四电压值。
8.根据权利要求1所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，所述主电源为电源适配器，所述切换电路和所述充电电路分别连接于所述适配器的电源输出端。
9.根据权利要求1所述的基于超级电容的保护电路，其特征在于，所述主板为机顶盒内的主板，所述机顶盒应用于数字视听场所内的多媒体文件点播。
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