CN117118031A - 一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力技术领域，公开了一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，该电路包括：超级电容充电电路充电控制电路、限流电路、超级电容、超级电容放电电路、滞回电路、防反二极管；超级电容充电电路由LDO芯片D1、输入滤波电容C1、输出滤波电容C2组成；充电控制电路，由PMOS管VT1、电阻R3、NPN三极管VT2、电阻R4、电阻R5组成；限流电路，由限流电阻R1、限流电阻R2组成；超级电容放电电路，由电容C4、电感L1、BOOST升压芯片D2、二极管VD1、电阻R6、电阻R7、电容C5组成；滞回电路，由电阻R8、电阻R9、电阻R10组成。通过本发明，解决了智能断路器主电停电后的数据存储和事件上报问题，消除了电压震荡对系统数据造成的影响。

Description

一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路。

背景技术

智能断路器是用微电子、计算机技术和新型传感器建立新的断路器二次系统，将控制、计量及通信等功能融于一体，可以更好的完成开断任务和提高开断的可靠性，实现断路器的智能化操作，安装使用在中低压计量箱、分支箱和配电柜等场景中。在智能断路器的功能中，要求当主电停电时系统有一定的备电能力，即主电停电后断路器仍能在一段时间内维持正常的工作，目的是在停电后完成停电事件的记录以及事件上报。为此，需要使用一种超级电容供电电路，来解决上述智能断路器停电后的信息记录与事件上报动作。

现有的超级电容供电电路控制方式单一，使用超级电容的电压作放电BOOST的使能时，在超级电容结束放电时，由于超级电容存在内阻，会使超级电容的电压在停止供电的瞬间抬升，抬升的高度由超级电容的内阻和供电电流共同决定，电压突然的抬升会使放电电路再次开启，电压又拉低到关断的电压，如此反复震荡直到抬升后的电压低于开启电压后结束此过程。如此停电时的震荡会对系统造成影响，可能会造成数据的丢失以及主控芯片的失控等问题。使用输出电压作放电BOOST的使能时，由于需要的升压输出电压太高，也无法保证系统的稳定性。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，解决了主电停电时所需要的备电问题，实现了停电后的信息记录与事件上报，同时该设计使用滞回电路控制超级电容放电，防止了因为超级电容内阻原因导致的充电电路反复震荡开启，提高了系统的可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案解决实现：

一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，该电路包括：超级电容充电电路充电控制电路、限流电路、超级电容、超级电容放电电路、滞回电路、防反二极管；

超级电容充电电路由LDO芯片D1、输入滤波电容C1、输出滤波电容C2组成。

LDO芯片D1的输入引脚IN与输入滤波电容C1一端相连，输出引脚OUT与输出滤波电容C2的一端相连，GND引脚分别与输入滤波电容C1、输出滤波电容C2另一端相连后共同接地。

充电控制电路，由PMOS管VT1、电阻R3、NPN三极管VT2、电阻R4、电阻R5组成。

PMOS管VT1的漏极与LDO芯片D1的输出引脚OUT相连，电阻R3接在PMOS管VT1的栅极和漏极，PMOS管VT1的源极与限流电阻R1、限流电阻R2的一端相连，PMOS管VT1的栅极与NPN三极管VT2集电极相连，NPN三极管VT2的基极和发射极与电阻R4并联，电阻R5的一端与NPN三极管VT2基极相连，另一端与设备主芯片MCU控制引脚相连。

限流电路，由限流电阻R1、限流电阻R2组成。

限流电阻R1、限流电阻R2并联，一端与PMOS管VT1源极相连，另一端与超级电容C3正极相连。

超级电容C3的一端与限流电阻R1、限流电阻R2的一端相连，另一端接地。

超级电容放电电路，由电容C4、电感L1、BOOST升压芯片D2、二极管VD1、电阻R6、电阻R7、电容C5组成。

超级电容C3正极通过电感L1接BOOST升压芯片D2的SW的引脚和二极管VD1的正极；电容C4的一端与电感L1一端相连，另一端接地；二极管VD1负极接电容C5和电阻R6的一端，电阻R6另一端接BOOST升压芯片D2的FB引脚，并通过电阻R7接地。

滞回电路，由电阻R8、电阻R9、电阻R10组成。

电阻R8、电阻R9与电容C5串接，电阻R10接电阻R8、电阻R9中间，另一端接超级电容C3正极；BOOST升压芯片D2的使能引脚EN接电阻R8与电阻R9之间。

防反二极管VD2接二极管VD1的输出端，目的是防止电源VCC电存在时电流倒灌损坏BOOST芯片D2。

进一步地，所述LDO芯片D1为4V转2.5V的LDO芯片。

进一步地，限流电路对超级电容C3的充电电流进行限制，防止超级电容被大电流损坏。

进一步地，电容C4、电感L1、BOOST升压芯片D2、二极管VD1、电容C5组成BOOST升压电路。

本发明的有益效果：本发明超级电容充放电，解决了智能断路器主电停电后的数据存储和事件上报问题，超级电容供电电路使用滞回电路将超级电容当前电压V_CAP和输出电压VOUT同时引入进行使能控制，使在放电结束后能稳定掉电，不会形成电压震荡对系统数据造成影响，增加了智能断路器控制系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例应用于智能断路器的超级电容供电电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例：如图1所示，一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，该电路包括：超级电容充电电路充电控制电路、限流电路、超级电容、超级电容放电电路、滞回电路、防反二极管；

超级电容充电电路由LDO芯片D1、输入滤波电容C1、输出滤波电容C2组成。

LDO芯片D1的输入引脚IN与输入滤波电容C1一端相连，输出引脚OUT与输出滤波电容C2的一端相连，GND引脚分别与输入滤波电容C1、输出滤波电容C2另一端相连后共同接地。LDO芯片D1将电路输入电压V1由4V降压到超级电容C3充电所需的电压2.5V。

充电控制电路，由PMOS管VT1、电阻R3、NPN三极管VT2、电阻R4、电阻R5组成。PMOS管VT1的漏极与LDO芯片D1的输出引脚OUT相连，电阻R3接在PMOS管VT1的栅极和漏极，PMOS管VT1的源极与限流电阻R1、限流电阻R2的一端相连，PMOS管VT1的栅极与NPN三极管VT2集电极相连，NPN三极管VT2的基极和发射极与电阻R4并联，电阻R5的一端与NPN三极管VT2基极相连，另一端与设备主芯片MCU控制引脚相连。

限流电路，由限流电阻R1、限流电阻R2组成。限流电阻R1、限流电阻R2并联，一端与PMOS管VT1源极相连，另一端与超级电容C3正极相连。

限流电路对超级电容C3的充电电流进行限制，防止超级电容被大电流损坏；

超级电容C3的一端与限流电阻R1、限流电阻R2的一端相连，另一端接地。

超级电容放电电路，由电容C4、电感L1、BOOST升压芯片D2、二极管VD1、电阻R6、电阻R7、电容C5组成。超级电容C3正极通过电感L1接BOOST升压芯片D2的SW的引脚和二极管VD1的正极；电容C4的一端与电感L1一端相连，另一端接地；二极管VD1负极接电容C5和电阻R6的一端，电阻R6另一端接BOOST升压芯片D2的FB引脚，并通过电阻R7接地。

滞回电路，由电阻R8、电阻R9、电阻R10组成。电阻R8、电阻R9与电容C5串接，电阻R10接电阻R8、电阻R9中间，另一端接超级电容C3正极；BOOST升压芯片D2的使能引脚EN接电阻R8与电组R9之间。

防反二极管VD2接二极管VD1的输出端，目的是防止电源VCC电存在时电流倒灌损坏BOOST芯片D2。

超级电容C3在系统有电时进行充电储能，具体流程为：

充电控制电路中MCU_CTR信号控制NPN三极管VT2的开关状态，当MCU_CTR信号为高电平时NPN三极管VT2打开，PMOS管VT1的栅极为低电平，PMOS管导通，开始给超级电容充电。

超级电容C3在系统掉电时进行放电，具体流程为：

当系统掉电时，电源VCC消失，防反二极管VD2导通，超级电容C3的电压经过BOOST升压电路后在二极管VD1的负极输出，反馈电阻R6、反馈电阻R7将VD1输出的升压电压采样输入到D2的FB引脚，通过调整反馈电阻R6、反馈电阻R7的阻值可以得到希望的BOOST升压电路输出电压VOUT值为10.5V。

所述BOOST升压电路输出电压VOUT值为10.5V，原因是系统有电时供电VCC为12V，要保证输出电压VOUT小于12V来使防反二极管起作用，在主电存在时升压电路不输出电流；同时输出电压VOUT不应低于系统维持正常工作的最小电压8V，因此通过调节反馈电阻R6、反馈电阻R7的阻值使升压电路输出电压VOUT为10.5V。

所述BOOST升压电路为由电容C4、电感L1、BOOST升压芯片D2、二极管VD1、电容C5组成。

滞回电路包括电阻R8、电阻R9、电阻R10，滞回电路输出电压到BOOST芯片使能脚EN，所述输出电压通过如下电压叠加定理计算：

；

式中，V2指滞回电路输出电压，指BOOST升压电路输出电压，指超级电 容C3供电电压。

通过滞回电路输出电压到BOOST芯片D2使能脚EN，使BOOST芯片D2开启和关断的V_CAP电压形成一个滞回区间，保证BOOST芯片关断后V_CAP电压不会将BOOST芯片重新开启，使系统更加稳定。在BOOST升压电路启动前，由于二极管VD1漏电流很小，导通压降很小，近似的VOUT电压与V_CAP相同，随着超级电容不断的充电，V_CAP逐渐增大，当V_CAP大于1.7V时，滞回电路输出电压V2大于BOOST芯片的使能上升阈值，BOOST升压电路启动，VOUT升高为10.5V；在系统供电消失后，VCC12V消失，由BOOST升压电路为系统供电，超级电容当前电压V_CAP开始下降，VOUT电压为10.5V不变；当V_CAP降到1V时，滞回电路的输出电压V2小于BOOST芯片的使能下降阈值，BOOST升压电路关闭，系统停止工作，而因停止输出电流造成的超级电容当前电压V_CAP的电压小幅抬升，因为滞回区间的存在而无法使升压电路再次启动造成电压震荡影响系统稳定。

所述防反二极管VD2，防止电源VCC存在时电流倒灌损坏BOOST芯片D2，同时在电源VCC存在时BOOST芯片D2不为系统供电，通过调整超级电容升压电路中的反馈电阻R6、反馈电阻R7阻值，使BOOST芯片D2输出电压小于电源VCC的供电电压，即能实现电源VCC为系统供电时，超级电容放电电路不为系统供电。

上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，该电路包括：超级电容充电电路充电控制电路、限流电路、超级电容C3、超级电容放电电路、滞回电路、防反二极管。

2.根据权利要求1所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述超级电容充电电路由LDO芯片D1、输入滤波电容C1、输出滤波电容C2组成；LDO芯片D1的输入引脚IN与输入滤波电容C1一端相连，输出引脚OUT与输出滤波电容C2的一端相连，GND引脚分别与输入滤波电容C1、输出滤波电容C2另一端相连后共同接地。

3.根据权利要求1所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述充电控制电路，由PMOS管VT1、电阻R3、NPN三极管VT2、电阻R4、电阻R5组成；PMOS管VT1的漏极与LDO芯片D1的输出引脚OUT相连，电阻R3接在PMOS管VT1的栅极和漏极，PMOS管VT1的源极与限流电阻R1、限流电阻R2的一端相连，PMOS管VT1的栅极与NPN三极管VT2集电极相连，NPN三极管VT2的基极和发射极与电阻R4并联，电阻R5的一端与NPN三极管VT2基极相连，另一端与设备主芯片MCU控制引脚相连。

4.根据权利要求1所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述限流电路，由限流电阻R1、限流电阻R2组成；限流电阻R1、限流电阻R2并联，一端与PMOS管VT1源极相连，另一端与超级电容C3正极相连。

5.根据权利要求4所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述超级电容C3的一端与限流电阻R1、限流电阻R2的一端相连，另一端接地。

6.根据权利要求1所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述超级电容放电电路，由电容C4、电感L1、BOOST升压芯片D2、二极管VD1、电阻R6、电阻R7、电容C5组成；超级电容C3正极通过电感L1接BOOST升压芯片D2的SW的引脚和二极管VD1的正极；电容C4的一端与电感L1一端相连，另一端接地；二极管VD1负极接电容C5和电阻R6的一端，电阻R6另一端接BOOST升压芯片D2的FB引脚，并通过电阻R7接地。

7.根据权利要求6所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述防反二极管VD2接二极管VD1的输出端，目的是防止电源VCC电存在时电流倒灌损坏BOOST芯片D2。

8.根据权利要求6所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述电容C4、电感L1、BOOST升压芯片D2、二极管VD1、电容C5组成BOOST升压电路。

9.根据权利要求6所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述滞回电路，由电阻R8、电阻R9、电阻R10组成；电阻R8、电阻R9与电容C5串接，电阻R10接电阻R8、电阻R9中间，另一端接超级电容C3正极；BOOST升压芯片D2的使能引脚EN接电阻R8与电阻R9之间。

10.根据权利要求1所述的一种应用于智能断路器的超级电容充放电电路，其特征在于，所述限流电路对超级电容C3的充电电流进行限制，防止超级电容被大电流损坏。