CN113890167A - 一种通用型短时后备电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用型短时后备电源电路，包括第一开关、充电电路、储能器件、第二开关、放电电路和主控模块；电源经第一开关与充电电路相连接，充电电路与储能器件相连接；储能器件经第二开关与充电电路相连接；第一开关还经供电旁路与放电电路相连接；放电电路为用电设备、主控模块供电。本发明实现了超级电容的充放电管理、放电电路稳定输出，以及对超级电容的容量最大化利用；对于一般的短时掉电保护设备，更适应使用这种通用性的替代，从而从成本和性能上面有更多的优势。

Description

一种通用型短时后备电源电路

技术领域

本发明属于后备电源供电技术领域，涉及一种通用型短时后备电源电路。

背景技术

随着物联网的应用发展，越来越多的物联网设备需要使用到后备电源，保证市电供电掉电之后还能够保持工作。一般的解决方案都是使用传统的锂电池后备电源方案，这种应用方案已经很成熟。但是锂电池的后备电源供电方案，成本比较高，适应的工作环境范围很小，一般只适合工作在环境温度为0到45℃；而对于物联网应用的场合，很多设备都是工业级的使用环境，都必须安装在室外环境，一般都必须满足-40℃到60℃，锂电池无法适应这种工作环境，会造成锂电池的容量急速下降和寿命缩短；一般的解决方案就是给锂电池进行加热或是温度补偿，但是这样就会增加成本和应用的复杂性。所以传统的锂电池备电方案有很大的缺陷。

使用超级电容作为替代传统锂电池的后备电源电路，可以满足一般的短时后备电源的应用场合，因为超级电容的容量还是比锂电池备电能力弱，但是它的工作环境温度适应范围广，对于低功耗的物联网设备，有着天然的优势。并且成本上面，也比锂电池有优势。

公布号为CN 111416414 A的发明专利，公开了超级电容的充放电控制系统及其充放电控制电路。其缺陷在于：1）储能器件超级电容无法判断是否已经充电完成，需要一直使用VIN进行充电。这样导致超级电容一直处在不停的充放电状态中，会缩短超级电容的使用寿命。2）使用负载电阻R1作为限流充电电路，导致充电效率低，电路需要进行R1的负载电阻的散热设计，增加成本。3）放电电路只是简单的MOS开关，导致后备电源只能跟随着超级电容的电压降低而降低，输出的电压不稳定，不符合通用的后备电源电路需求；并且这样导致超级电容的储能利用效率很差。

公告号为CN 104578366 B的发明专利，公开了一种用于线路故障检测的自供电超级电容储能电源。其缺陷在于：1）电容直接连接到超级电容上，造成浪涌电流大，容易损坏超级电容；上电开机瞬间电源供电不稳定。2）放电电路只是简单的MOS开关，导致后备电源只能跟随着超级电容的电压降低而降低，输出的电压不稳定。3）缺乏关机的逻辑控制，只能依靠超级电容的电量耗完才能够关机，并且这样会导致在关机供电电压临界值的时候，设备会不停的开机和关机，容易造成设备故障。

公告号为CN 208190326 U的实用新型专利，公开了一种短时后备电源电路。其缺陷在于：1）使用专门热插拔控制器芯片LTC4218，虽然减少了浪涌电流，但是芯片成本价格太高，不具备性价比。2）使用专门的升降压控制芯片LTC3110，用来进行超级电容的充放电管理，芯片成本价格太高，不具备性价比，不具有通用性。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种通用型短时后备电源电路，实现了超级电容的充放电管理、放电电路稳定输出，以及对超级电容的容量最大化利用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种通用型短时后备电源电路，包括第一开关、充电电路、储能器件、第二开关、放电电路和主控模块；

电源经第一开关与充电电路相连接，充电电路与储能器件相连接；储能器件经第二开关与充电电路相连接；第一开关还经供电旁路与放电电路相连接；放电电路为用电设备、主控模块供电；

所述第一开关与第二开关为相互斥的开关；电源正常供电时第一开关导通，第二开关关闭；电源掉电时第一开关关闭，第二开关导通；

主控模块接收的输入信号包括电源掉电检测信号和储能器件的电压检测信号，信号输出包括控制充电电路导通的充电使能和控制第二开关导通的放电使能；

所述充电使能是由电源掉电检测信号引脚和主控模块对储能器件的电压控制引脚通过逻辑与开关连接后输出；充电使能在电源检测为有电、储能器件电压低于阈值时才被发出，充电电路被导通向储能器件充电；

电源掉电时，储能器件通过第二开关向放电电路供电，放电使能保持第二开关导通；用电设备断电时，放电使能控制第二开关关断。

所述第一开关包括路径开关和控制开关，控制开关在电源正常时导通，路径开关被导通；控制开关在电源掉电时关断，路径开关被关断；

所述第二开关包括相串联的第三开关和第四开关，第三开关两侧还并联有一个二极管；其中第三开关与第一开关互斥，第四开关由主控模块控制；

第四开关默认导通，在电源掉电的瞬间，储能器件可通过二极管对放电电路进行供电；第三开关导通后，储能器件通过第三开关、第四开关对放电电路进行供电；

主控模块控制第四开关断开，即可切断电源供应。

所述主控模块对储能器件的充电控制为：

主控模块实时进行电源掉电检测，并定时采集储能器件的电压；若接收的电源掉电检测信号为有电，接收的储能器件电压检测信号低于阀值电压，则逻辑与开关被导通，充电使能发出，充电电路内的开关被打开向储能器件进行充电；若检测到的超级电容的电压不小于阀值，则逻辑与开关不被导通，充电电路关闭。

所述主控模块对储能器件的放电控制为：

主控模块默认第四开关保持导通；

若接收的电源掉电检测信号为掉电，放电使能保持第四开关导通；

掉电后主控模块还实施以下掉电保护策略：

根据采集到储能器件的电压预估当前的SOC电量，结合用电设备的电流进行后备电源供电时长的估算，并向用电设备上报警告，提示和/或进行低功耗设置；储能器件的电压低于阈值时，则提示用电设备准备掉电；

用电设备关机时，则控制放电使能关闭第四开关，切断对放电电路的供电。

所述放电电路的信号端与第一开关/第二开关之间还设有RC延时电路，还通过泄放电路与主控模块相连接；主控模块还通过复位使能控制泄放电路导通，以进行硬件上电复位控制：

电源掉电检测信号为有电，主控模块发出复位使导通泄放电路，放电电路信号端电平变化，放电电路被关闭，整体电路掉电；主控模块掉电之后，输出的复位使能变化为低电平，泄放电路被关闭，电源通过RC延时电路供电后，放电电路信号端电平恢复，放电电路重新工作，供电恢复正常。

所述RC延时电路保证电源在有电情况下，放电电路是使能的，电源经过第一开关、放电电路给用电设备供电；

上电复位中的掉电的时长可通过RC延时电路的电阻值和电容值进行配置和调节。

所述的储能器件为超级电容，主控模块默认第四开关保持导通，而第三开关并联有二极管，在掉电瞬间，超级电容可通过二极管向放电电路供电；

掉电后，第三开关打开，第一开关关断，主控模块检测到电源掉电信号，保持第四开关导通，保证超级电容对充电电路进行供电；

所述充电电路为限流电路或限流芯片；所述放电电路为升压电路或升压芯片；

所述阀值电压不超过储能器件的额定电压。

所述第一开关包括PMOS管VT1和NMOS管VT2，VT1源极与电源正极相连接；电源正极经分压电阻与VT2的栅极相连接，VT2的源极接地，VT2的漏极与VT1的栅极相连接；VT1的漏极分别与充电电路、放电电路相连接；VT2在电源正常供电时导通，VT1导通；VT2在电源掉电时关断，VT1关断；

所述充电电路为限流芯片D1，限流芯片D1经分压电阻与第一开关相连接，其信号端连接到主控模块的IO引脚，接收主控模块的充电使能信号EN_1；

所述储能器件为超级电容C1，其正极分别连接充电电路的输出端和第二开关，负极接地；超级电容C1与主控模块的AD采集引脚相连接，使主控模块可采集其的电压信号；

所述第二开关包括一对背靠背的PMOS管VT3和VT5；

VT3为第三开关，其源极与充电电路输出端相连接，漏极与VT5的漏极相连接，栅极与被电源反相控制导通的PNP三极管VT4相连接；VT4的基极经分压电阻与电源正极相连接，集电极经电阻接地，发射极与VT3的栅极相连接；VT3通过VT4实现与第一开关的硬件互斥；VT3的源极和漏极之间寄生的二极管，实现了与第三开关并联的二极管；

VT5为第四开关，其栅极与NMOS管VT6的漏极相连接，源极与放电电路相连接；VT6的源极接地，栅极与主控模块的IO引脚相连接，接收主动模块发送的放电使能信号EN_2，实现主控模块对VT5的导通控制。

所述的放电电路为DC/DC升压芯片D2，其输入端与第一开关、第二开关相连接；所述延时电路包括由电阻R12和电容C4构成第一RC延时电路、由电阻R14和电容C5构成的第二RC延时电路；其中，电阻R12和电容C4连接在输入电源与地之间，电阻R14和电容C5连接在主控模块与地之间；

所述泄放电路包括NMOS管VT7和电阻R13，NMOS管VT7的源极经电阻R13与电阻R12相连接，同时与D1的信号端相连接；电阻R13和NMOS管VT7可泄放第一RC电路的电平，使放电电路的使能可控；VT7的漏极接地，VT7的栅极经电阻R15与电阻R14相连接，电阻R14的另一端连接主控模块的IO引脚，接收复位使能信号EN_3以控制VT7的导通和截止，以控制放电电路的使能与否。

所述的主控模块为内部集成了晶振电路的MCU D3，其供电部分包括供电电路和上电复位电路；供电电路包括连接到MCU D3电源引脚的电源滤波电容C22和C23；上电复位电路包括连接到MCU D3 NRST引脚、构成上电复位的RC电路的电阻R21和电容C21；

电阻R22和R23构成电源输入的分压电路，连接到MCU D3的PB0引脚，为主控模块进行电源掉电检测的输入信号；

电阻R24和R25构成超级电容的电压分压输入，连接到MCU D3的PB1引脚，为主控模块对储能器件电压进行采集的AD输入信号；

MCU D3的PC4引脚作为充电使能引脚，输出充电使能信号EN_1；

MCU D3的PC1引脚作为放电使能引脚，输出放电使能信号EN_2；

MCU D3的PC0引脚作为掉电复位引脚，输出复位使能信号EN_3。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过对储能器件（超级电容）的电压采集和电源掉电检测，通过主控模块的逻辑与控制策略对超级电容的充电进行有效的管理，一方面保证了超级电容的电压，保证后备电源的电量；同时避免了对超级电容的过度使用确保超级电容的寿命；通过通过放电电路进行了升压处理，保证输出电源的电压稳定，充分有效的利用超级电容的储能容量；

本发明增加和完善了后备电源电路的关机控制，保证了电路的通用适用性和性价比，确保电源没有临界关机电压状态，避免了设备会不停的开机和关机，从而容易造成设备故障。同时通过延时电路和泄放电路，以及主控模块的复位使能控制，在正常供电的情况下，实现硬件掉电重新上电复位功能，比传统的软件复位可靠性更高。进一步的，本发明能够实时监测储能器件的电压，并且估算储能器件的SOC容量，可以根据容量进行策略管理；并进行充放电的自动掉电上电切换等；还可以根据主控的需求，通过放电使能控制后备电源关机。

本发明可以使用通用的超级电容作为短时的储能器件，从而替代传统的锂电池。本发明的放电电路的输出电源稳定，满足一般的主控或是电路的稳定电压输入的需求，电路的应用具有通用性对于一般的短时掉电保护设备，更适应使用这种通用性的替代，从而从成本和性能上面有更多的优势。

现有技术中对作为后备电源的超级电容的应用，既没有充放电没有管理，放电电路也没有稳定输出，超级电容的容量还没有最大利用，更缺乏关机功能，没有实现电路应用需求的普遍的通用性，不具有硬件掉电重新上电复位的功能；本发明无疑具有显著的效果。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明的第二开关示意图；

图3为本发明的控制模块使能控制示意图；

图4为本发明的电路连接示意图；

图5为本发明的主控模块电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1-图5，一种通用型短时后备电源电路，包括第一开关、充电电路、储能器件、第二开关、放电电路和主控模块；

电源经第一开关与充电电路相连接，充电电路与储能器件相连接；储能器件经第二开关与充电电路相连接；第一开关还经供电旁路与放电电路相连接；放电电路为用电设备、主控模块供电；

所述第一开关与第二开关为相互斥的开关；电源正常供电时第一开关导通，第二开关关闭；电源掉电时第一开关关闭，第二开关导通；

主控模块接收的输入信号包括电源掉电检测信号和储能器件的电压检测信号，信号输出包括控制充电电路导通的充电使能和控制第二开关导通的放电使能；

所述充电使能是由电源掉电检测信号引脚和主控模块对储能器件的电压控制引脚通过逻辑与开关连接后输出；充电使能在电源检测为有电、储能器件电压低于阈值时才被发出，充电电路被导通向储能器件充电；

电源掉电时，储能器件通过第二开关向放电电路供电，放电使能保持第二开关导通；用电设备断电时，放电使能控制第二开关关断。

所述第一开关包括路径开关和控制开关，控制开关在电源正常时导通，路径开关被导通；控制开关在电源掉电时关断，路径开关被关断；

所述第二开关包括相串联的第三开关和第四开关，第三开关两侧还并联有一个二极管；其中第三开关与第一开关互斥，第四开关由主控模块控制；

第四开关默认导通，在电源掉电的瞬间，储能器件可通过二极管对放电电路进行供电；第三开关导通后，储能器件通过第三开关、第四开关对放电电路进行供电；

主控模块控制第四开关断开，即可切断电源供应。

所述放电电路的信号端与第一开关/第二开关之间还设有RC延时电路，还通过泄放电路与主控模块相连接；主控模块还通过复位使能控制泄放电路导通，以进行硬件上电复位控制：

电源掉电检测信号为有电，主控模块发出复位使导通泄放电路，放电电路信号端电平变化，放电电路被关闭，整体电路掉电；主控模块掉电之后，输出的复位使能变化为低电平，泄放电路被关闭，电源通过RC延时电路供电后，放电电路信号端电平恢复，放电电路重新工作，供电恢复正常。

下面结合附图对本发明各部分详细说明。

参见图1，本发明的通用型短时后备电源电路，是由以下部分组成：

一、第一开关，二、充电电路（限流），三、储能器件（超级电容），四、第二开关，五、放电电路（升压），六、主控模块（单片机或物联网模块）。

电源VIN从第一开关进来，然后有两个流向路径，一个是到充电电路，另外一个是供电旁路。其中充电电路（限流）是给储能器件（超级电容）进行充电的。而供电旁路则直接连接放电电路（升压），由放电电路升压之后作为供电的主电源VCC，VCC给主控模块供电，也可以给设备其它电路进行供电。在掉电情况下，储能器件（超级电容）可以通过第二开关，给放电电路供电，保证设备正常供电。

其中第一开关和第二开关是硬件互斥的开关，保证储能器件（超级电容）充电时不会直接进行充电，只能再需要充电时通过充电电路进行充电；而当外部电源掉电的时候，第一开关关断，又可以保证在第二开关导通的情况下，不会反灌电流到输入电源VIN端。

第一开关是由外部电源控制导通/关闭，外部电源供电时第一开关导通，外部电源掉电时第一开关关闭。

第二开关包含了一对串联的双开关，比如采用PMOS管的背靠背的开关；如图2所示，第三开关实现与第一开关进行互斥作用，而且第三开关还并联了一个二极管；第四开关由主控模块控制，默认是导通状态。这样保证在外部电源掉电的瞬间，超级电容可以先通过二极管对放电电路进行供电，保证设备电源不会闪断；而需要关机操作的时候，由主控模块控制第四开关断开，即可以切断电源供应。

充电电路（限流）的使能控制，是由外部掉电检测信号和主控模块的控制引脚进行硬件的逻辑与运算后连接，保证充电电路（限流）只能在外部电源有电的情况下，才可以通过主控模块发出充电信号来控制充电使能。

充电电路（限流），是给超级电容充电的电路，带有充电使能开关，主要是限流的功能，防止输入VIN电源瞬间电流过大，保护电源电压供电。一般使用一个限流开关即可，限流大小即为超级电容的充电电流大小。

参见图3，主控模块对储能器件的充电控制为：

主控模块实时进行电源掉电检测，并定时采集储能器件的电压；若接收的电源掉电检测信号为有电，接收的储能器件电压检测信号低于阀值电压，则逻辑与开关被导通，充电使能发出，充电电路内的开关被打开向储能器件进行充电；若检测到的超级电容的电压不小于阀值，则逻辑与开关不被导通，充电电路关闭。

所述主控模块对储能器件的放电控制为：

主控模块默认第四开关保持导通；

若接收的电源掉电检测信号为掉电，放电使能保持第四开关导通；

掉电后主控模块还实施以下掉电保护策略：

根据采集到储能器件的电压预估当前的SOC电量，结合用电设备的电流进行后备电源供电时长的估算，并向用电设备上报警告，提示和/或进行低功耗设置；储能器件的电压低于阈值时，则提示用电设备准备掉电；

用电设备关机时，则控制放电使能关闭第四开关，切断对放电电路的供电。

具体的，主控模块（单片机或是物联网模块），负责采集储能器件（超级电容）的电压和电源掉电检测（使用主控模块的一个IO口作为检测掉电信号的引脚，当外部电源有电的时候，检测引脚为高电平（或者低电平），当外部电源掉电的时候，则相反；从而使用电平的高低来检测掉电与否），通过采集到的信号，根据控制模块，进行储能器件的充电管理和放电管理、关机动作。

控制1（使能1）进行储能器件（超级电容）的充电控制：电源掉电信号检测为有电，且采集到的储能器件电压低于阀值电压，就使能控制1进行充电，否则不充电；其中阀值电压不超过储能器件的额定电压，比如超级电容是2.7V的，阀值为2.6V，预留0.1V进行降额保护。

控制2（使能2）进行储能器件（超级电容）的放电控制：电源掉电信号检测为掉电，使能2控制第四开关是打开导通的；其中第四开关在上电初始期间，默认状态是打开导通的，保证掉电瞬间后备电源能够通过第二开关进行通电。

当检测到外部电源已经掉电，设备已经做好了掉电前处理的任务，满足关机条件，则使能2关闭第四开关即可切断电源供电。

控制3（使能3）进行硬件掉电重新上电复位控制，在外部电源掉电检测为有电的情况下，输出控制信号，关闭放电电路（升压），让整个电路直接掉电；主控模块掉电之后，输出的控制信号自动变化成低电平，在外部电源通过通用的RC延时电路给使能信号重新充电变成高电平，放电电路（升压）重新工作，供电恢复正常。其中掉电的时长可以通过RC的电阻值和电容值进行配置和调节；并且RC延时电路保证外部电源在有电情况下，放电电路（升压）是使能的。

所述RC延时电路保证电源在有电情况下，放电电路是使能的，电源经过第一开关、放电电路给用电设备供电；

上电复位中的掉电的时长可通过RC延时电路的电阻值和电容值进行配置和调节。

主控模块负责采集超级电容的电压，因为超级电容的电压和电量SOC是线性比例的关系，所有可以直接估计出超级电容的SOC，从而可以进行产品的对应功耗管理和预估，为设备的最终的运行时长做管理。

下面分四种使用场合进行描述：

1、外部电源正常供电

外部电源从VIN经过第一开关，然后通过放电电路（升压），给设备供电。主控模块上电之后开始工作，采集储能器件（超级电容）的电压，进行掉电检测。其中第一开关的使能导通是默认为电源有电导通，否则掉电关闭；放电电路（升压）的使能工作是默认为电源有电使能。这样保证外部电源有电的情况下，主控模块可以正常开机。

2、超级电容充电管理

主控模块经过上电之后，开始执行进行充放电管理，经过检测外部电源掉电信号和采集超级电容的电压，计算出超级电容没有充满到阀值，就打开充电电路进行充电。并且进行不停的检测信号，直到超级电容的电压高于阀值，才开始关闭充电电路。

目前市场上面通用的超级电容的额定电压规格为2.7V，3V，3.3V，3.6V，5.4V，5.5V，7.5V，而对应的额定容值从33mF到470F；需要根据选用的超级电容的额定电压，来保证超级电容充电电压不能够超过额定电压，否则会损坏超级电容。

超级电容的电量公式为：电量 = 电容容量 * 电容两端的电压，即Q=C*U；电量和电容两端电压是线性关系，只要检测超级电容的电压，即可以判断超级电容是否充电完成。所以充电时比较的阀值为选用的超级电容的对应额定电压。当采集到超级电容的电压，和额定电压进行比较，不小于额定电压即为充电充满。

主控模块定时检测超级电容的电压，如果低于阀值，则又重新打开充电电路进行充电。超级电容的电压高于阀值，则关闭充电电路。

3、外部电源掉电

外部电源VIN掉电，因为第三开关有并联的二极管，并且第四开关是主控模块默认打开导通，所以掉电瞬间，超级电容是可以通过二极管保证设备的电源保持供电。

主控模块检测到掉电信号后，对第三开关进行打开导通，保证超级电容对充电电路进行供电。然后主控模块根据采集到超级电容的电压计算预估出当前的SOC电量，并进行相应的动作。

相应的动作包括，进行后备电源保证供电时长的计算和检测，及时上报告警和进行对应的低功耗设置，尽量延长后备电源的使用时长，并提供对应的掉电保护策略。

根据超级电容的电压可以计算出当前的电量，而电量和电流的公式为： 电量 =电流 * 时间，即Q=I*t。根据设备的自身电流大小I（额定的工作电流大小），可以计算出设备可以继续工作的时间t，也就是供电时长t。通过检测掉电检测信号，判定当前工作状态为掉电状态，即可以上报掉电告警；并进行对应的低功耗设置提示及设置：比如配置主控模块的主频进行降频工作，减少或关闭不必要的外设功能，以达到最低功耗来实现最基本的设备功能，尽量延长后备电源的使用时长；另外在设备达到供电时长t之前，进行掉电保护的设置，比如保存相关的数据和日志，关闭存储器的读写操作，以避免存储器在读写期间掉电会造成存储器的坏块生产等。

4、硬件掉电重新上电复位

当主控模块需要执行掉电复位动作，通过控制3，关闭放电电路，以达到关闭电源的效果。经过RC延时电路之后，放电电路重新使用工作，主控模块和电源重新恢复正常供电。

在正常供电的情况下，实现硬件掉电重新上电复位功能，比传统的软件复位可靠性更高。

参见图4、图5，下面给出具体的实施例。

所述第一开关包括PMOS管VT1和NMOS管VT2，VT1源极与电源正极相连接；电源正极经分压电阻与VT2的栅极相连接，VT2的源极接地，VT2的漏极与VT1的栅极相连接；VT1的漏极分别与充电电路、放电电路相连接；VT2在电源正常供电时导通，VT1导通；VT2在电源掉电时关断，VT1关断；

所述充电电路为限流芯片D1，限流芯片D1经分压电阻与第一开关相连接，其信号端连接到主控模块的IO引脚，接收主控模块的充电使能信号EN_1；

所述储能器件为超级电容C1，其正极分别连接充电电路的输出端和第二开关，负极接地；超级电容C1与主控模块的AD采集引脚相连接，使主控模块可采集其的电压信号；

所述第二开关包括一对背靠背的PMOS管VT3和VT5；

VT3为第三开关，其源极与充电电路输出端相连接，漏极与VT5的漏极相连接，栅极与被电源反相控制导通的PNP三极管VT4相连接；VT4的基极经分压电阻与电源正极相连接，集电极经电阻接地，发射极与VT3的栅极相连接；VT3通过VT4实现与第一开关的硬件互斥；VT3的源极和漏极之间寄生的二极管，实现了与第三开关并联的二极管；

VT5为第四开关，其栅极与NMOS管VT6的漏极相连接，源极与放电电路相连接；VT6的源极接地，栅极与主控模块的IO引脚相连接，接收主动模块发送的放电使能信号EN_2，实现主控模块对VT5的导通控制。

所述的放电电路为DC/DC升压芯片D2，其输入端与第一开关、第二开关相连接；所述延时电路包括由电阻R12和电容C4构成第一RC延时电路、由电阻R14和电容C5构成的第二RC延时电路；其中，电阻R12和电容C4连接在输入电源与地之间，电阻R14和电容C5连接在主控模块与地之间；

所述泄放电路包括NMOS管VT7和电阻R13，NMOS管VT7的源极经电阻R13与电阻R12相连接，同时与D1的信号端相连接；电阻R13和NMOS管VT7可泄放第一RC电路的电平，使放电电路的使能可控；VT7的漏极接地，VT7的栅极经电阻R15与电阻R14相连接，电阻R14的另一端连接主控模块的IO引脚，接收复位使能信号EN_3以控制VT7的导通和截止，以控制放电电路的使能与否。

所述的主控模块为内部集成了晶振电路的MCU D3，其供电部分包括供电电路和上电复位电路；供电电路包括连接到MCU D3电源引脚的电源滤波电容C22和C23；上电复位电路包括连接到MCU D3 NRST引脚、构成上电复位的RC电路的电阻R21和电容C21；

电阻R22和R23构成电源输入的分压电路，连接到MCU D3的PB0引脚，为主控模块进行电源掉电检测的输入信号；

电阻R24和R25构成超级电容的电压分压输入，连接到MCU D3的PB1引脚，为主控模块对储能器件电压进行采集的AD输入信号；

MCU D3的PC4引脚作为充电使能引脚，输出充电使能信号EN_1；

MCU D3的PC1引脚作为放电使能引脚，输出放电使能信号EN_2；

MCU D3的PC0引脚作为掉电复位引脚，输出复位使能信号EN_3。

具体的，下面给出具体的使用实例。

1：第一开关。使用PMOS管VT1作为电源路径导通的开关；VIN输入电源通过电阻R1和R2分压，然后控制NMOS管VT2的栅极，从而控制VT2导通；VT2的漏极和VT1的栅极相连，从而控制VT1的导通。保证VT2在VIN电源正常供电的时候，能够导通；从而使VT1导通。

2：充电电路（限流），使用限流芯片D1，具体选择西安航天民芯的限流保护开关芯片MT9700，限流可以通过配置电阻R6进行配置。或者，可以选择市场通用的降压型DC/DC芯片，保证充电电路的电流和电压符合后端储能器件的额定规格。其中R4和R5为分压电阻，作为D1的使能信号EN_1，这个使能信号连接到主控模块的IO引脚，实现主控模块控制。

3：储能器件（超级电容）。C1为储能器件，可以选择绿宝石的超级电容，100F/2.7V。也可以选择其它的品牌和规格，其中关键的是要根据超级电容的额定电压，来匹配充电电路的输出电压，否则会因为超过额定电压损坏超级电容或是不达到额定电压而不能够100%利用超级电容的容量。超级电容需要连接到主控模块，其中的信号C_VOL连接到主控模块的AD采集引脚，保证主控模块可以采集超级电容的电压，从而得到超级电容的储能容量。

4：第二开关。使用一对背靠背的PMOS管，VT3和VT5，作为电源路径开关。其中VT4为PNP的三极管，用来控制VT3的导通；VIN输入电源经过电阻R7和R8分压，反相控制VT4的导通，从而实现VT3的导通控制。这样就可以实现VIN输入电源和第二开关的硬件互斥功能。其中VT3的源极2脚和漏极3脚之间本身就有寄生的二极管，直接实现了第三开关的并接二极管的功能。VT6是NMOS管，栅极控制端是信号EN_2，需要连接到主控模块的IO引脚，实现主控模块的控制；VT6的漏极3脚连接到VT5的栅极，对VT5的导通进行控制，从而实现第二开关的控制。

5：放电电路（升压）。D2是一个DC/DC的升压芯片，这里选用禾芯微电子的HX3001。其中电阻R12和电容C4构成了RC上电延时电路；电阻R13和NMOS管VT7可以泄放RC电路的电平，从而保证D2放电芯片的使能可控；使用电阻R14和电容C5，构成了另外一个RC上电延时电路；其中R14的一端连接主控模块的IO引脚，用来控制VT7的导通和截止，从而可以控制D2的使能与否。

6：主控模块。参见图5，D3选用ST意法半导体的STM8L051F3作为主控MCU，主控的最小系统包括电源供电，上电复位电路两部分，其中的晶振电路已经在MCU内部集成了。其中电容C22和C23是MCU的电源滤波电容，连接到D3的电源引脚。电阻R21和电容C21为上电复位的RC电路，连接到D3的NRST引脚。电阻R22和R23构成外部电源输入的分压电路，连接到D3的PB0引脚，作为MCU的外部电源掉电检测使用。电阻R24和R25用来给超级电容的电压分压输入，连接到D3的PB1引脚，作为MCU的ADC电压采集使用，对超级电容的电压进行采集。D3的PC4引脚作为充电控制使能引脚；D3的PC1引脚作为整个电源的关机使能引脚；D3的PC0引脚作为硬件掉电复位功能引脚。

以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种通用型短时后备电源电路，其特征在于，包括第一开关、充电电路、储能器件、第二开关、放电电路和主控模块；

电源经第一开关与充电电路相连接，充电电路与储能器件相连接；储能器件经第二开关与充电电路相连接；第一开关还经供电旁路与放电电路相连接；放电电路为用电设备、主控模块供电；

所述第一开关与第二开关为相互斥的开关；电源正常供电时第一开关导通，第二开关关闭；电源掉电时第一开关关闭，第二开关导通；

主控模块接收的输入信号包括电源掉电检测信号和储能器件的电压检测信号，信号输出包括控制充电电路导通的充电使能和控制第二开关导通的放电使能；

所述充电使能是由电源掉电检测信号引脚和主控模块对储能器件的电压控制引脚通过逻辑与开关连接后输出；充电使能在电源检测为有电、储能器件电压低于阈值时才被发出，充电电路被导通向储能器件充电；

电源掉电时，储能器件通过第二开关向放电电路供电，放电使能保持第二开关导通；用电设备断电时，放电使能控制第二开关关断。

2.如权利要求1所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述第一开关包括路径开关和控制开关，控制开关在电源正常时导通，路径开关被导通；控制开关在电源掉电时关断，路径开关被关断；

所述第二开关包括相串联的第三开关和第四开关，第三开关两侧还并联有一个二极管；其中第三开关与第一开关互斥，第四开关由主控模块控制；

第四开关默认导通，在电源掉电的瞬间，储能器件可通过二极管对放电电路进行供电；第三开关导通后，储能器件通过第三开关、第四开关对放电电路进行供电；

主控模块控制第四开关断开，即可切断电源供应。

3.如权利要求1或2所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述主控模块对储能器件的充电控制为：

主控模块实时进行电源掉电检测，并定时采集储能器件的电压；若接收的电源掉电检测信号为有电，接收的储能器件电压检测信号低于阀值电压，则逻辑与开关被导通，充电使能发出，充电电路内的开关被打开向储能器件进行充电；若检测到的超级电容的电压不小于阀值，则逻辑与开关不被导通，充电电路关闭。

4.如权利要求1或2所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述主控模块对储能器件的放电控制为：

主控模块默认第四开关保持导通；

若接收的电源掉电检测信号为掉电，放电使能保持第四开关导通；

掉电后主控模块还实施以下掉电保护策略：

根据采集到储能器件的电压预估当前的SOC电量，结合用电设备的电流进行后备电源供电时长的估算，并向用电设备上报警告，提示和/或进行低功耗设置；储能器件的电压低于阈值时，则提示用电设备准备掉电；

用电设备关机时，则控制放电使能关闭第四开关，切断对放电电路的供电。

5.如权利要求1所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述放电电路的信号端与第一开关/第二开关之间还设有RC延时电路，还通过泄放电路与主控模块相连接；主控模块还通过复位使能控制泄放电路导通，以进行硬件上电复位控制：

电源掉电检测信号为有电，主控模块发出复位使导通泄放电路，放电电路信号端电平变化，放电电路被关闭，整体电路掉电；主控模块掉电之后，输出的复位使能变化为低电平，泄放电路被关闭，电源通过RC延时电路供电后，放电电路信号端电平恢复，放电电路重新工作，供电恢复正常。

6.如权利要求5所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述RC延时电路保证电源在有电情况下，放电电路是使能的，电源经过第一开关、放电电路给用电设备供电；

上电复位中的掉电的时长可通过RC延时电路的电阻值和电容值进行配置和调节。

7.如权利要求1或2所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述储能器件为超级电容，主控模块默认第四开关保持导通，而第三开关并联有二极管，在掉电瞬间，超级电容可通过二极管向放电电路供电；

掉电后，第三开关打开，第一开关关断，主控模块检测到电源掉电信号，保持第四开关导通，保证超级电容对充电电路进行供电；

所述充电电路为限流电路或限流芯片；所述放电电路为升压电路或升压芯片；

所述阀值电压不超过储能器件的额定电压。

8.如权利要求2所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述第一开关包括PMOS管VT1和NMOS管VT2，VT1源极与电源正极相连接；电源正极经分压电阻与VT2的栅极相连接，VT2的源极接地，VT2的漏极与VT1的栅极相连接；VT1的漏极分别与充电电路、放电电路相连接；VT2在电源正常供电时导通，VT1导通；VT2在电源掉电时关断，VT1关断；

所述充电电路为限流芯片D1，限流芯片D1经分压电阻与第一开关相连接，其信号端连接到主控模块的IO引脚，接收主控模块的充电使能信号EN_1；

所述储能器件为超级电容C1，其正极分别连接充电电路的输出端和第二开关，负极接地；超级电容C1与主控模块的AD采集引脚相连接，使主控模块可采集其的电压信号；

所述第二开关包括一对背靠背的PMOS管VT3和VT5；

VT3为第三开关，其源极与充电电路输出端相连接，漏极与VT5的漏极相连接，栅极与被电源反相控制导通的PNP三极管VT4相连接；VT4的基极经分压电阻与电源正极相连接，集电极经电阻接地，发射极与VT3的栅极相连接；VT3通过VT4实现与第一开关的硬件互斥；VT3的源极和漏极之间寄生的二极管，实现了与第三开关并联的二极管；

VT5为第四开关，其栅极与NMOS管VT6的漏极相连接，源极与放电电路相连接；VT6的源极接地，栅极与主控模块的IO引脚相连接，接收主动模块发送的放电使能信号EN_2，实现主控模块对VT5的导通控制。

9.如权利要求5所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述

放电电路为DC/DC升压芯片D2，其输入端与第一开关、第二开关相连接；所述延时电路包括由电阻R12和电容C4构成第一RC延时电路、由电阻R14和电容C5构成的第二RC延时电路；其中，电阻R12和电容C4连接在输入电源与地之间，电阻R14和电容C5连接在主控模块与地之间；

所述泄放电路包括NMOS管VT7和电阻R13，NMOS管VT7的源极经电阻R13与电阻R12相连接，同时与D1的信号端相连接；电阻R13和NMOS管VT7可泄放第一RC电路的电平，使放电电路的使能可控；VT7的漏极接地，VT7的栅极经电阻R15与电阻R14相连接，电阻R14的另一端连接主控模块的IO引脚，接收复位使能信号EN_3以控制VT7的导通和截止，以控制放电电路的使能与否。

10.如权利要求8或9所述的通用型短时后备电源电路，其特征在于，所述主控模块为内部集成了晶振电路的MCU D3，其供电部分包括供电电路和上电复位电路；供电电路包括连接到MCU D3电源引脚的电源滤波电容C22和C23；上电复位电路包括连接到MCU D3 NRST引脚、构成上电复位的RC电路的电阻R21和电容C21；

电阻R22和R23构成电源输入的分压电路，连接到MCU D3的PB0引脚，为主控模块进行电源掉电检测的输入信号；

电阻R24和R25构成超级电容的电压分压输入，连接到MCU D3的PB1引脚，为主控模块对储能器件电压进行采集的AD输入信号；

MCU D3的PC4引脚作为充电使能引脚，输出充电使能信号EN_1；

MCU D3的PC1引脚作为放电使能引脚，输出放电使能信号EN_2；

MCU D3的PC0引脚作为掉电复位引脚，输出复位使能信号EN_3。

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