CN202424515U - 恒压输出装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种恒压输出装置，包括一法拉电容、用于存储所述法拉电容输出的电能并输出电压至一外界负载的一储能单元、用于控制所述法拉电容和所述储能单元之间电导通或断开的一开关单元、用于采集所述储能单元输出的电压的一电压采样单元以及用于生成控制所述开关单元开启或闭合的一脉冲信号的一控制单元；其中所述法拉电容通过所述开关单元为所述储能单元提供电能，所述控制单元还基于所述储能单元输出的电压和所述法拉电容输出的电压调节所述脉冲信号的脉冲宽度。本实用新型通过采用具有降压和升压功能的稳压电路，从而使得所述法拉电容中剩余电量在整个电容存储电量的比例将进一步地缩小，从而实现法拉电容的充分利用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种输出稳定的恒定电压的装置，特别是涉及一种用于法拉电容的恒压输出装置。
背景技术
法拉电容，又名电化学电容器或超级电容，是上世纪七、八十年代发展起来的一种新型的储能装置。它是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，因而不同于传统的化学电源。法拉电容的突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长以及工作温度范围宽。所以有着广阔的应用前景，特别是在一些领域中可以取代蓄电池，并实现产品服役周期内不用更换蓄电池的目标，从而成为真正的免维护备用电源。
但是法拉电容和普通电容有相似的放电曲线，即负载一定时，输出电压按指数曲线下降。但是，用法拉电容作为备用电源时，总是希望其能够持续地输出恒定电压，因此就需要采用稳压电路来使得所述法拉电容作为电源能够输出很定电压。
然而若采用降压稳压电路，则法拉电容电压必须大于输出电压，当法拉电容电压与输出电压相等时，降压电路将无法继续工作，会造成剩余电量无法充分利用。
此外若采用升压稳压电路，则法拉电容电压不能超过输出电压，当法拉电容电压放电至1/3～1/4电压时，升压电路将无法继续工作，同样会造成法拉电容电量无法充分利用。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中法拉电容存储的电量无法充分利用的缺陷，提供一种恒压输出装置，通过使用具有升压和降压功能的稳压电路来提高法拉电容中电量的利用率。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本实用新型提供了一种恒压输出装置，包括一法拉电容、用于存储所述法拉电容输出的电能并输出电压至一外界负载的一储能单元、用于控制所述法拉电容和所述储能单元之间电导通或断开的一开关单元、用于采集所述储能单元输出的电压的一电压采样单元以及用于生成控制所述开关单元开启或闭合的一脉冲信号的一控制单元；其中所述法拉电容通过所述开关单元为所述储能单元提供电能，所述控制单元还基于所述储能单元输出的电压和所述法拉电容输出的电压调节所述脉冲信号的脉冲宽度。
较佳地，所述恒压输出装置还包括多个法拉电容，各个法拉电容相互并联连接并且均通过所述开关单元为所述储能单元提供电能。
较佳地，所述储能单元包括一储能元件、一输出开关模块和一电压维持模块，所述控制单元还用于控制所述输出开关模块的开启或闭合；其中当所述输出开关模块闭合时，所述储能元件接收并存储所述法拉电容输出的电能，所述电压维持模块维持所述储能单元输出至所述外界负载的电压；当所述输出开关模块开启时，所述储能元件输出电压至外界负载并为所述电压维持模块补充电能。
较佳地，所述开关单元包括一第一MOS管，所述第一MOS管的栅极与所述控制单元电连接，所述第一MOS管的漏极与所述法拉电容电连接，而且所述第一MOS管的源极与所述储能单元电连接。
较佳地，所述开关单元还包括用于驱动所述第一MOS管的一第一驱动器，所述第一驱动器串接于所述第一MOS管的栅极和所述控制单元之间。
较佳地，所述输出开关模块包括一第二MOS管，所述第二MOS管的栅极与所述控制单元电连接，所述第二MOS管的漏极与所述储能元件电连接，所述第二MOS管的源极接地。
较佳地，所述输出开关模块还包括用于驱动所述第二MOS管的一第二驱动器，所述第二驱动器串接于所述第二MOS管的栅极和所述控制单元之间。
较佳地，所述电压维持模块包括一电解电容，所述电解电容的阳极电连接于所述第二MOS管的漏极，所述电解电容的阴极接地。
较佳地，所述电压维持模块还包括一第一续流二极管，所述第一续流二极管串接于所述第二MOS管的漏极和所述电解电容的阳极之间，其中所述第一续流二极管的阳极电连接于所述第二MOS管的漏极，所述第一续流二极管的阴极电连接于所述电解电容的阳极。
较佳地，所述电压维持模块还包括一第二续流二极管，所述第二续流二极管的阳极电连接于所述第一MOS管的源极，所述第二续流二极管的阴极电连接于所述电解电容的阴极。
本实用新型的积极进步效果在于：
本实用新型的恒压输出装置通过采用具有降压和升压功能的稳压电路，当法拉电容电压高于输出电压时自动进行降压稳压。随着法拉电容电压的下降，当法拉电容小于等于输出电压时，自动转为升压稳压。从而使得所述法拉电容中剩余电量在整个电容存储电量的比例将进一步地缩小，从而实现法拉电容的充分利用。
附图说明
图1为本实用新型的恒压输出装置的较佳实施例的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图给出本实用新型较佳实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。
实施例：
如图1所示，本实施例的恒压输出装置包括：一法拉电容组1、一第一MOS管2(金属氧化物半导体场效应晶体管)、一第二MOS管3、一MCU(微控制器)4、一电感5、一电解电容6、一第一续流二极管7、一第二续流二极管8、一电阻9a和一电阻9b、一第一驱动器10a以及一第二驱动器10b。
其中本实施例中所述法拉电容组1电连接于所述第一MOS管2的漏极，所述第一MOS管2的源极与所述电感5的一端电连接，所述第一MOS管2的栅极通过所述第一驱动器10a与所述MCU4电连接。
所述电感5的另一端与所述第二MOS管3的漏极电连接，所述第二MOS管3的源极接地，所述第二MOS管3的栅极通过所述第二驱动器10b与所述MCU4电连接；所述电感5的另一端还与所述第一续流二极管7的阳极电连接，所述续流二极管7的阴极与所述电解电容6的阳极电连接；所述电解电容的阳极通过一输出端A连接至外界负载，所述电解电容的阴极接地。所述电感5的一端还与所述第二续流二极管8的阴极电连接，所述第二续流二极管8的阳极接地。
此外所述输出端A通过所述电阻9a与一电压采集端B电连接，所述电压采集端B还通过所述电阻9b接地。所述MCU4还与所述电压采集端B电连接。所述MCU4还与所述法拉电容组1电连接。
本实施例的法拉电容组1中包括3个并联连接的法拉电容11，其中所述法拉电容11的阳极均相互电连接，所述法拉电容11的阴极也相互电连接，此外还可以根据外界设备对法拉电容输出电能的要求或需求采用一个或多个的法拉电容构成的法拉电容组。
本实施例中采用所述电感5来存储所述法拉电容组1输出的电能，此外还可以采其他种类的储能元件来存储所述法拉电容组1输出的电能。
本实施例中所述电解电容6能够存储所述电感5输出的电能，并维持所述电感5输出的电压的幅值，从而稳定所述电感5输出的电压。此外所述电解电容6还可以滤除所述电感5输出的电压中的电压波动。此外还可以采用其他的储能放能器件构成的电压维持模块来维持所述输出端A的输出电压。
此外所述第一续流二极管7和第二续流二极管8与所述第二MOS管3、电解电容6和电感5构成了所述电解电容6的充能和放能电路，通过所述第二MOS管3的导通和截止以及电感5的充电和放电，所述第一续流二极管7和第二续流二极管8共同控制是否为所述电解电容6充电。
本实施例中所述电感5、第二MOS管3、电解电容6、第一续流二极管7和第二续流二极管8共同构成了存储所述法拉电容组1输出电能的储能单元。
本实施例中由于MCU4的输入电压幅值有限，所以通过所述电阻9a和电阻9b对所述电感5输出至外界负载中的输出电压进行分压，从而便于所述MCU4采集幅值适当的输出电压，从而防止输出电压幅值过大对所述MCU4的损毁。此外还可以根据使用需要采用其他种类的输出电压采集方式或输出电压采集单元。
本实施例中所述MCU4生成一脉冲信号P，所述脉冲信号P注入所述第一驱动器10a和第二驱动器10b，从而通过所述第一驱动器10a和第二驱动器10b分别控制所述第一MOS管2和第二MOS管3的栅极上的电压，因而控制所述第一MOS管2和第二MOS管3的导通和截止，即控制所述第一MOS管2和第二MOS管3中源极和漏极之间的导通和截止。
此外所述MCU4还通过所述电压采集端B采集输入至外界负载的输出电压Uout，而且所述MCU4还采集所述法拉电容组1输出至电感5的电压Uin。其中所述MCU4基于所述Uout和Uin调节其生成的脉冲信号P的脉冲宽度W，例如当所述Uout＞Uin时，增加脉冲宽度W，当所述Uout＜Uin时，减小脉冲宽度W，当所述Uout＝Uin时，保值脉冲宽度W不变。
本实施例中所述第一MOS管2用于控制所述电感5和法拉电容组1之间的导通和断开，即控制所述法拉电容组1是否对所述电感5充电。所述第二MOS管3用于控制所述电感5是否接地，即当所述电感5接地时，对电感5进行充电，此时电解电容6维持所述输出端A的输出电压；当所述电感5不接地时，所述电感5通过所述输出端A向外界负载输出电压，同时为所述电解电容6补充电能。此外还可以采用其他的开关器件来实现所述电感5与法拉电容组1之间的导通和关断以及所述电感5是否接地。
本实施例的工作原理如下：
首先，所述MCU4通过所述电压采集端B采集经过所述电阻9a和电阻9b分压后的输出电压Uout，同时所述MCU4还采集所述法拉电容组1输入所述电感5中的输入电压Uin。
然后所述MCU4生成脉冲信号P并基于所述Uout和Uin之间的大小关系调节所述脉冲信号P的脉冲宽度W。
此后，所述第一驱动器10a和第二驱动器10b基于所述脉冲信号P的脉冲宽度W控制所述第一MOS管2和第二MOS管3的栅极上的电压的持续时间，进而控制所述第一MOS管2和第二MOS管3的源极和漏极之间的导通或断开，即在所述脉冲信号P的一个周期内，在脉冲宽度W的时间内，所述第一MOS管2和第二MOS管3的源极和漏极导通，否则所述第一MOS管2和第二MOS管3的源极和漏极断开连接。
其后当所述第一MOS管2和第二MOS管3的源极和漏极之间导通时，此时所述法拉电容组1、第一MOS管2、电感5和第二MOS管3构成一回路，此时所述法拉电容组1开始向所述电感5充电，此时第一续流二极管7截止，所以只有电解电容6放电从而维持所述输出端A上的输出电压。
当所述第一MOS管2和第二MOS管3的源极和漏极之间断开时，此时所述法拉电容组1与所述电感5之间断开，所以所述法拉电容组1停止为所述电感5充电，并且所述电感5、第一续流二极管7、电解电容6、第二续流二极管8之间构成回路，此时所述电感5释放电能，其中一部分电能以电压的形式通过所述输出端A输出至外界负载，另外一部分电能输送至所述电解电容6中，从而补充所述电解电容6中的电能，因而所述电解电容6具有足够电能在下一次所述第一MOS管2和第二MOS管3的源极和漏极之间导通时放电维持输出端A的输出电压。
本实施例通过调节所述对所述电感5的充电时间，从而当法拉电容电压高于输出电压时自动进行降压稳压。而当法拉电容小于等于输出电压时，自动转为升压稳压。从而使得所述法拉电容中剩余电量在整个电容存储电量的比例将进一步地缩小，从而实现法拉电容的充分利用。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种恒压输出装置，包括一法拉电容、用于存储所述法拉电容输出的电能并输出电压至一外界负载的一储能单元、用于控制所述法拉电容和所述储能单元之间电导通或断开的一开关单元、用于采集所述储能单元输出的电压的一电压采样单元以及用于生成控制所述开关单元开启或闭合的一脉冲信号的一控制单元；
其中所述法拉电容通过所述开关单元为所述储能单元提供电能，所述控制单元还基于所述储能单元输出的电压和所述法拉电容输出的电压调节所述脉冲信号的脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的恒压输出装置，其特征在于，所述恒压输出装置还包括多个法拉电容，各个法拉电容相互并联连接并且均通过所述开关单元为所述储能单元提供电能。
3.如权利要求1或2所述的恒压输出装置，其特征在于，所述储能单元包括一储能元件、一输出开关模块和一电压维持模块，所述控制单元还用于控制所述输出开关模块的开启或闭合；
其中当所述输出开关模块闭合时，所述储能元件接收并存储所述法拉电容输出的电能，所述电压维持模块维持所述储能单元输出至所述外界负载的电压；当所述输出开关模块开启时，所述储能元件输出电压至外界负载并为所述电压维持模块补充电能。
4.如权利要求3所述的恒压输出装置，其特征在于，所述开关单元包括一第一MOS管，所述第一MOS管的栅极与所述控制单元电连接，所述第一MOS管的漏极与所述法拉电容电连接，而且所述第一MOS管的源极与所述储能单元电连接。
5.如权利要求4所述的恒压输出装置，其特征在于，所述开关单元还包括用于驱动所述第一MOS管的一第一驱动器，所述第一驱动器串接于所述第一MOS管的栅极和所述控制单元之间。
6.如权利要求5所述的恒压输出装置，其特征在于，所述输出开关模块包括一第二MOS管，所述第二MOS管的栅极与所述控制单元电连接，所述第二MOS管的漏极与所述储能元件电连接，所述第二MOS管的源极接地。
7.如权利要求6所述的恒压输出装置，其特征在于，所述输出开关模块还包括用于驱动所述第二MOS管的一第二驱动器，所述第二驱动器串接于所述第二MOS管的栅极和所述控制单元之间。
8.如权利要求6或7所述的恒压输出装置，其特征在于，所述电压维持模块包括一电解电容，所述电解电容的阳极电连接于所述第二MOS管的漏极，所述电解电容的阴极接地。
9.如权利要求8所述的恒压输出装置，其特征在于，所述电压维持模块还包括一第一续流二极管，所述第一续流二极管串接于所述第二MOS管的漏极和所述电解电容的阳极之间，其中所述第一续流二极管的阳极电连接于所述第二MOS管的漏极，所述第一续流二极管的阴极电连接于所述电解电容的阳极。
10.如权利要求9所述的恒压输出装置，其特征在于，所述电压维持模块还包括一第二续流二极管，所述第二续流二极管的阳极电连接于所述第一MOS管的源极，所述第二续流二极管的阴极电连接于所述电解电容的阴极。
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