CN115811121B - 一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路，包括第一buck电路模块、boost电路模块、Flyback电路模块和第二buck电路模块，Flyback电路模块的第一输出端通过第一二极管与电源端VCH连接，电源端VCH通过第一buck电路模块与电源端VSCAP连接，电源端VSCAP通过法拉电容接地，电源端VSCAP通过boost电路模块与电源端VB连接，电源端VB通过第四二极管与电源端VP连接；Flyback电路模块的第二输出端与电源端VP连接，电源端VP通过第二buck电路模块与电源端VCC连接。第二buck电路模块包括电流检测控制模块和第三有源开关器件。本发明实现了输出短路保护。

Description

一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路。
背景技术
随着法拉电容技术的发展，其高可靠性、长寿命的优势逐步凸显，已开始在国家电网的各类电表终端中批量应用。法拉电容器是一种新型高性能储能器件，介于传统电容器和二次电池之间，耐久性及可靠性远远胜于可充电电池，但是法拉电容的充放电曲线与可充电电池的完全不同。传统的蓄电池放电曲线相对平缓，放电终止电压较高，不需要很复杂的电源管理电路，而法拉电容是容量非常大的电容而非电池，放电终止电压接近于0V，需要相对复杂的电源管理电路。传统的电源管理电路由于拓扑结构的局限性，输入电源经过电感、二极管直接到输出，无法实现电源输出短路保护，电路安全性较差。
发明内容
本发明提出了一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路，其目的是：克服现有技术的缺陷，改进电源管理电路的拓扑结构，提高法拉电容后备电源管理的安全性。
本发明技术方案如下：
一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路，包括第一buck电路模块、boost电路模块、Flyback电路模块和第二buck电路模块，所述Flyback电路模块的第一输出端通过第一二极管与电源端VCH相连接，电源端VCH通过所述第一buck电路模块与电源端VSCAP相连接，电源端VSCAP通过法拉电容接地，电源端VSCAP通过所述boost电路模块与电源端VB相连接，电源端VB通过第四二极管与电源端VP相连接；所述Flyback电路模块的第二输出端与所述电源端VP相连接，电源端VP通过所述第二buck电路模块与电源端VCC相连接，所述电源端VCC用于为电源需求侧供电。
所述第二buck电路模块包括电流检测控制模块IS和第三有源开关器件，所述电流检测控制模块IS用于根据所述第一buck电路模块的输入电流改变所述第三有源开关器件的导通状态从而实现电源输出短路保护。
进一步地，所述第二buck电路模块还包括第六二极管、第三电感和第四电容，所述电流检测控制模块IS的输入端与所述电源端VP相连接，电流检测控制模块IS的输出端与所述第三有源开关器件的控制端相连接，第三有源开关器件的输出端与所述第六二极管的阳极相连接，第六二极管的阴极接地；第三有源开关器件的输出端还通过第三电感与所述电源端VCC相连接，电源端VCC通过所述第四电容接地。
进一步地，所述Flyback电路模块包括变压器、第五二极管和第三电容，变压器的一次侧与交流电源端相连接，变压器的二次侧第一接线端与所述第五二极管的阳极相连接，第五二极管的阴极与所述Flyback电路模块的第二输出端相连接，Flyback电路模块的第二输出端还通过所述第三电容接地；变压器的二次侧第一接线端还与所述Flyback电路模块的第一输出端相连接，变压器的二次侧第二接线端接地。
进一步地，所述第一buck电路模块包括第一电容、第一有源开关器件、第二二极管和第一电感，电源端VCH通过所述第一电容接地，所述电源端VCH与所述第一有源开关器件的控制端相连接，第一有源开关器件的输出端通过所述第一电感与电源端VSCAP相连接，第一有源开关器件的输出端还与所述第二二极管的阴极相连接，第二二极管的阳极接地。
进一步地，所述boost电路模块包括第二电感、第二有源开关器件、第三二极管和第二电容，所述第二电感的一端与电源端VSCAP相连接，第二电感的另一端通过所述第二有源开关器件接地，第二电感的另一端还与第三二极管的阳极相连接，第三二极管的阴极与电源端VB相连接，电源端VB通过所述第二电容接地。
进一步地，所述第三有源开关器件为MOS管。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）本电路拓扑结构在电源输出VCC对地短路时通过电流检测控制模块IS关断有源开关器件11，有效避免了法拉电容作为后备电源供电时直接对地短路，实现了电源输出短路保护；
（2）本电路在交流电源供电时，第一buck电路模块和boost电路模块就已经在实时工作，法拉电容的电压已经升压到VB，当交流断电时，可以无缝切换到法拉电容供电，切换过程中输出电压VCC无波动，稳定性高；
（3）本电路中的boost电路模块可以在1V甚至更低的电压下工作，使得法拉电容放电电压远远低于传统电路，提高了法拉电容容量利用率。
附图说明
图1为本发明的电路逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
如图1，一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路，包括第一buck电路模块、boost电路模块、Flyback电路模块和第二buck电路模块，所述Flyback电路模块的第一输出端通过第一二极管18与电源端VCH相连接，电源端VCH通过所述第一buck电路模块与电源端VSCAP相连接，电源端VSCAP通过法拉电容5接地，电源端VSCAP通过所述boost电路模块与电源端VB相连接，电源端VB通过第四二极管15与电源端VP相连接；所述Flyback电路模块的第二输出端与所述电源端VP相连接，电源端VP通过所述第二buck电路模块与电源端VCC相连接，所述电源端VCC用于为电源需求侧供电。
所述第二buck电路模块包括电流检测控制模块IS和第三有源开关器件11，所述电流检测控制模块IS用于根据所述第一buck电路模块的输入电流改变所述第三有源开关器件11的导通状态从而实现电源输出短路保护。
优选地，所述第二buck电路模块还包括第六二极管12、第三电感13和第四电容14，所述电流检测控制模块IS的输入端与所述电源端VP相连接，电流检测控制模块IS的输出端与所述第三有源开关器件11的控制端相连接，第三有源开关器件11的输出端与所述第六二极管12的阳极相连接，第六二极管12的阴极接地；第三有源开关器件11的输出端还通过第三电感13与所述电源端VCC相连接，电源端VCC通过所述第四电容14接地。
所述Flyback电路模块包括变压器16、第五二极管17和第三电容10，变压器16的一次侧与交流电源端相连接，变压器16的二次侧第一接线端与所述第五二极管17的阳极相连接，第五二极管17的阴极与所述Flyback电路模块的第二输出端相连接，Flyback电路模块的第二输出端还通过所述第三电容10接地；变压器16的二次侧第一接线端还与所述Flyback电路模块的第一输出端相连接，变压器16的二次侧第二接线端接地。
所述第一buck电路模块包括第一电容1、第一有源开关器件2、第二二极管3和第一电感4，电源端VCH通过所述第一电容1接地，所述电源端VCH与所述第一有源开关器件2的控制端相连接，第一有源开关器件2的输出端通过所述第一电感4与电源端VSCAP相连接，第一有源开关器件2的输出端还与所述第二二极管3的阴极相连接，第二二极管3的阳极接地。
所述boost电路模块包括第二电感6、第二有源开关器件7、第三二极管8和第二电容9，所述第二电感6的一端与电源端VSCAP相连接，第二电感6的另一端通过所述第二有源开关器件7接地，第二电感6的另一端还与第三二极管8的阳极相连接，第三二极管8的阴极与电源端VB相连接，电源端VB通过所述第二电容9接地。
优选地，所述第一有源开关器件2、第二有源开关器件7和第三有源开关器件11为MOS管。
本电路的工作原理为：
交流供电时，交流供电主电源经所述Flyback电路模块的第二输出端输出VP，后经第二buck电路模块降压后输出VCC到电源需求侧；同时，交流供电时的主电源经第一二极管18输出到第一buck电路模块给法拉电容5充电，所述第一buck电路模块为恒流输出型电路，法拉电容5充满电后其两端电压达到第一buck电路模块的设置输出电压VSCAP，之后第一buck电路模块继续对法拉电容5充电（浮充），当法拉电容5充电电压达到所述boost电路模块的使能电压后，boost电路模块升压至VB，作为后备电源待用。以上端点电压大小顺序为VP＞VB＞VSCAP，设VP=12V、VB=7.5V、VSCAP（充满时）=5.5V、VCC=5V。正常交流供电时VP＞VB，第四二极管15反向截止，交流供电主电源正常供电。
当交流断电时，VP＜VB，第四二极管15瞬间正向导通，所述法拉电容5、boost电路模块、第三电容10和第二buck电路模块维持原工作，此时法拉电容5为整个系统供电，整个电源切换过程中输出电压VCC无波动，直到法拉电容5电压跌落到boost电路模块的使能电压以下，法拉电容5停止供电。
当VCC对地短路时，电流检测控制模块IS检测到线路过流，产生过流信号关断第三有源开关器件11（MOS管），从而避免了法拉电容5经第二电感6、第三二极管8和第四二极管15直接对地短路，烧坏途径器件、印制线，即实现了电源输出短路保护功能。
由于boost电路模块可以在1V甚至更低的电压下工作，使得法拉电容5放电电压远远低于传统电路。本电路可将法拉电容5放电到1V以下，从而提高法拉电容容量利用率，对于相同的使用工况下可以使用更小容量的法拉电容。

Claims (2)

1.一种用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路，其特征在于：包括第一buck电路模块、boost电路模块、Flyback电路模块和第二buck电路模块，所述Flyback电路模块的第一输出端通过第一二极管（18）与电源端VCH相连接，电源端VCH通过所述第一buck电路模块与电源端VSCAP相连接，电源端VSCAP通过法拉电容（5）接地，电源端VSCAP通过所述boost电路模块与电源端VB相连接，电源端VB通过第四二极管（15）与电源端VP相连接；所述Flyback电路模块的第二输出端与所述电源端VP相连接，电源端VP通过所述第二buck电路模块与电源端VCC相连接，所述电源端VCC用于为电源需求侧供电；
所述第二buck电路模块包括电流检测控制模块IS和第三有源开关器件（11），所述电流检测控制模块IS用于根据所述第一buck电路模块的输入电流改变所述第三有源开关器件（11）的导通状态从而实现电源输出短路保护；
所述第二buck电路模块还包括第六二极管（12）、第三电感（13）和第四电容（14），所述电流检测控制模块IS的输入端与所述电源端VP相连接，电流检测控制模块IS的输出端与所述第三有源开关器件（11）的控制端相连接，第三有源开关器件（11）的输出端与所述第六二极管（12）的阳极相连接，第六二极管（12）的阴极接地；第三有源开关器件（11）的输出端还通过第三电感（13）与所述电源端VCC相连接，电源端VCC通过所述第四电容（14）接地；
所述Flyback电路模块包括变压器（16）、第五二极管（17）和第三电容（10），变压器（16）的一次侧与交流电源端相连接，变压器（16）的二次侧第一接线端与所述第五二极管（17）的阳极相连接，第五二极管（17）的阴极与所述Flyback电路模块的第二输出端相连接，Flyback电路模块的第二输出端还通过所述第三电容（10）接地；变压器（16）的二次侧第一接线端还与所述Flyback电路模块的第一输出端相连接，变压器（16）的二次侧第二接线端接地；
所述第一buck电路模块包括第一电容（1）、第一有源开关器件（2）、第二二极管（3）和第一电感（4），电源端VCH通过所述第一电容（1）接地，所述电源端VCH与所述第一有源开关器件（2）的控制端相连接，第一有源开关器件（2）的输出端通过所述第一电感（4）与电源端VSCAP相连接，第一有源开关器件（2）的输出端还与所述第二二极管（3）的阴极相连接，第二二极管（3）的阳极接地；
所述boost电路模块包括第二电感（6）、第二有源开关器件（7）、第三二极管（8）和第二电容（9），所述第二电感（6）的一端与电源端VSCAP相连接，第二电感（6）的另一端通过所述第二有源开关器件（7）接地，第二电感（6）的另一端还与第三二极管（8）的阳极相连接，第三二极管（8）的阴极与电源端VB相连接，电源端VB通过所述第二电容（9）接地。
2.如权利要求1所述的用于配电终端的法拉电容后备电源管理电路，其特征在于：所述第三有源开关器件（11）为MOS管。
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