CN205123401U - 基于Buck电路的超级电容UPS装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于Buck电路的超级电容UPS装置，包括工频变压器、超级电容器组、控制电路板，所述工频变压器，将电网电压进行降压，降压至控制电路板的工作电压；所述控制电路板包括工频不控整流及滤波电路、Buck1恒压源电路、Buck2恒流源电路，所述工频不控整流及滤波电路将工频变压器降压的交流电压经过不控整流和滤波，输出为两路直流电压；所述Buck1恒压源电路，将其中一路直流电压输出为恒定电压，与负载连接；所述Buck2恒流源电路，将另一路直流电压电路输出为恒电流，并连接超级电容器组，为超级电容器组充电；所述超级电容器组，储存电能，并作为UPS的供电电源。本实用新型基于工程应用实际，根据拓扑结构和超级电容器的特点，设计了控制电路，借鉴了传统Buck电路的控制方式，用全模拟电路实现了功能要求。
Description
技术领域
本发明属于不间断电源设备领域，具体涉及一种基于三端双Buck电路的超级电容器UPS装置。
背景技术
不间断电源（UPS）在主电源失电时提供短时的电能供应，对用电安全及设备维护有着不可或缺的作用。而通常作为备用电源能量来源的化学电池寿命很短，易老化，使得维修更换成本高，同时也降低了UPS的可靠性。超级电容器和普通的蓄电池不同，其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，在某些场合有望替代普通的蓄电池。普通蓄电池电压变化范围不大，而超级电容器储存的能量和其电压成平方关系，因此不能简单套用以普通蓄电池为储能元件的UPS的电路结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有UPS设备多采用蓄电池寿命短、充放电时间长的问题，提供了一种全模拟电路的超级电容器UPS装置，产品可靠性高，维护简便，使用寿命长。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题，
一种基于Buck电路的超级电容UPS装置，包括工频变压器、超级电容器组、控制电路板，其特征在于，
所述工频变压器，将电网电压进行降压，降压至控制电路板的工作电压；
所述控制电路板包括工频不控整流及滤波电路、Buck1恒压源电路、Buck2恒流源电路，
所述工频不控整流及滤波电路将工频变压器降压的交流电压经过不控整流和滤波，输出为两路直流电压；
所述Buck1恒压源电路，将其中一路直流电压输出为恒定电压，与负载连接；
所述Buck2恒流源电路，将另一路直流电压电路输出为恒电流，并连接超级电容器组，为超级电容器组充电；
所述超级电容器组，储存电能，并作为UPS的供电电源。
作为优化，还包括微动继电器，所述微动继电器安装在超级电容器组的充电端；所述控制电路板还包括逻辑控制电路，所述逻辑控制电路包括输出采样模块、闭环PWM控制模块、计时及逻辑电路、指示灯的控制电路；
输出采样模块，采集电压和电流数据；所述电压数据直接线路采样；所述电流数据通过在电路中串联采样电阻，通过采集采样电阻的电压获得电流数据；
所述闭环PWM控制模块为SG3525芯片，输出采样模块将Buck1恒压源电路的电压、电流信号送到SG3525芯片，经过SG3525芯片处理，送出PWM开关信号到Buck1恒压源电路的开关管；
所述闭环PWM控制模块为UC3843芯片，输出采样模块将Buck2恒流源电路的电压、电流信号送到UC3843芯片，经过UC3843芯片处理，送出PWM开关信号到Buck2恒流源电路的开关管；
所述计时及逻辑电路，由555计时芯片和逻辑门芯片组成；所述555计时芯片按设置时间发出信号，当电网失压时，通过555芯片搭建的计时电路开始计时，延时到设置时间后，发一个信号给逻辑门芯片，输出信号断开/启闭微动继电器，从而断开/启闭超级电容器组；所述逻辑门芯片为CD4011电路芯片；
作为优化，所述控制电路板还包括指示灯，所述指示灯连接在逻辑门芯片输出端或超级电容器组充电端；
作为优化，所述指示灯包括充电指示灯和计时设置时间指示灯。
现有UPS电源存在能量密度低，化学电池寿命很短，易老化，使得维修更换成本高的实际问题。本发明基于工程应用实际，设计了一款适合超级电容器的UPS设备，具体而言，本发明的技术效果体现在：设计出一套新型利用超级电容器作为储能单元的UPS拓扑结构。根据拓扑结构和超级电容器的特点，设计了控制电路，借鉴了传统Buck电路的控制方式，用全模拟电路实现了功能要求。
附图说明
图1为本实用新型实施例结构示意图；
图2为本实用新型实施例控制电路板示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种基于Buck电路的超级电容UPS装置，包括工频变压器、超级电容器组、微动继电器和控制电路板，
所述工频变压器，将电网电压进行降压，降压至控制电路板的工作电压；
所述超级电容器组，储存电能，并作为UPS的供电电源；
所述微动继电器安装在超级电容器组的充电端；
所述控制电路板包括工频不控整流及滤波电路、Buck1恒压源电路、Buck2恒流源电路、逻辑控制电路和指示灯，
所述工频不控整流及滤波电路将工频变压器降压的交流电压经过不控整流和滤波，输出为两路直流电压；
所述Buck1恒压源电路，将其中一路直流电压输出为恒定电压，与负载连接；
所述Buck2恒流源电路，将另一路直流电压电路输出为恒电流，并连接超级电容器组，为超级电容器组充电；
所述逻辑控制电路包括输出采样模块、闭环PWM控制模块、计时及逻辑电路、指示灯的控制电路；
输出采样模块，采集电压和电流数据；所述电压数据直接线路采样；所述电流数据通过在电路中串联采样电阻，通过采集采样电阻的电压获得电流数据；
所述闭环PWM控制模块为SG3525芯片，输出采样模块将Buck1恒压源电路的电压、电流信号送到SG3525芯片，经过SG3525芯片处理，送出PWM开关信号到Buck1恒压源电路的开关管；
所述闭环PWM控制模块为UC3843芯片，输出采样模块将Buck2恒流源电路的电压、电流信号送到UC3843芯片，经过UC3843芯片处理，送出PWM开关信号到Buck2恒流源电路的开关管；
所述计时及逻辑电路，由555计时芯片和逻辑门芯片组成；所述555计时芯片按设置时间发出信号，当电网失压时，通过555芯片搭建的计时电路开始计时，延时到设置时间后，发一个信号给逻辑门芯片，输出信号断开/启闭微动继电器，从而断开/启闭超级电容器组；
所述指示灯连接在逻辑门芯片输出端或超级电容器组充电端；
所述指示灯包括充电指示灯和计时设置时间指示灯。
本实用新型首先分析超级电容的特点，基于这些特点选择合适的控制电路结构，并考虑到将来容量扩展的内容，得出一个可靠合理的电路结构，并据此对控制电路进行设计。由于工艺原因，现阶段超级电容器额定电压只能做到2.8V，需要串联使用才能达到合适的使用电压。考虑到Buck电路的占空比越大效率越高，前端直流母线电压控制在60V以下较为合理。选用18个额定电压2.7V，容量470F的超级电容器串联，并由3组电容阵列并联，串联的电容器通过电阻和三极管强制均压。串联后额定电压，总电容值。
工频变压器的设计主要考虑直流母线的电压。在恒压源负荷最大时，直流母线电压最低。而此时，仍需保证能够给超级电容器组恒流充电。为方便扩容，变压器变比4.8:1，额定功率120W，峰值功率170W。
Buck2恒流源电路对超级电容器组采用恒流充电。超级电容器的容值C较大，其端电压的变化相对于控制电路来说，可近似为一定值，成立的条件为控制环路带宽远大于电容电压上升斜率。为了减小恒流充电时的电流波动，超级电容电压一直在上升，占空比D从0到1变化，电流波动在时取得最大值。开关频率取40kHz，设计电流波动最大时小于0.5倍的充电电流。L最小为0.6mH，取0.8mH，额定电流取2倍设定电流值1.3A。
Buck2恒流源电路的控制模式采用电压模式控制VMC，采用电压单环进行校正，即可以满足需求。充电完成后通过下行迟滞比较器进行电压滞环控制，当电压充到47.5V时封死开关管PWM波。充电完成后，超级电容器电压降至46.8V时，再次开始充电，防止充电快完成时不断封锁和开通PWM波。
Buck1恒压源电路的设计，需要考虑电压质量和动态响应。假定最小负载电流为1A，空载时直流母线电压约为61V，加上电网电压10%上限的波动，母线电压最高为67V。Buck1最小占空比D=0.36，为防止断流，取电感值为0.2mH。取2.5A额定电流。
Buck1恒压源电路的控制模式采用电压模式控制VMC，采用电压PI单环进行校正，抑制谐振峰，增加低频增益。
计时电路由555计时芯片和逻辑门芯片组成。当交流失电时，直流母线电压降低。当电压低于电容器组设置的47.5V最大电压时，可认为交流失电。此时，换流二极管D1导通，由超级电容器组为负载提供能量，触发555定时器开始计时，计时4分钟结束后封锁Buck1恒压源电路的PWM波。
Buck1恒压源电路的过流保护电路和计时关断电路共同对PWM波进行封锁。设定时器电路输出逻辑为B，当输出电流达到5A时过流保护动作，其逻辑为E。PWM产生芯片的保护引脚为高时封锁输出，即C为1时封锁。根据逻辑运算得，一个与非门即可实现。
充电指示灯，采充电电流，当电流大于设定值时红灯亮。恒压输出指示灯，通过设定26V和22V的比较器，其中一个比较器当当低于26V输出逻辑为高电平，另一个高于22V输出逻辑为高电平。只有当同时为高时才是正常的电压范围，电压指示绿灯亮。用一个与非门实现。
计时指示灯。当直流母线电压低于超级电容器组电压时，计时触发逻辑A从低到高时计时开始，由于555定时器芯片的功能，A为低时，输出B必为高。计时黄灯D为高时灯灭。用一个与非门电路即可。
只需一个四路与非门CD4011电路芯片即可实现所有的控制逻辑。
采用微动继电器断开超级电容器组的输出端，其通断由恒压源控制。当恒压源有正常电压时继电器将超级电容器接入电路，否则断开继电器。当计时结束时，断开超级电容器组，其储存的能量不至于消耗在控制电流上。
本实用新型的具体功能为：当市电或交流电源正常时，电能量从220V交流电经变压器和不控整流变为60V左右直流电，通过Buck1电路变为24V输送到负载，并通过Buck2电路对超级电容器组恒流充电；当交流失电时，Buck1电路输出能量，导致直流母线电压降低，二极管D1导通，切换到超级电容器为恒压源提供能源，并发送一个交流失电的信号给通讯设备。超级电容器维持一定时间的能源供应后断电。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于Buck电路的超级电容UPS装置，包括工频变压器、超级电容器组、控制电路板，其特征在于，
所述工频变压器，将电网电压进行降压，降压至控制电路板的工作电压；
所述控制电路板包括工频不控整流及滤波电路、Buck1恒压源电路、Buck2恒流源电路，
所述工频不控整流及滤波电路将工频变压器降压的交流电压经过不控整流和滤波，输出为两路直流电压；
所述Buck1恒压源电路，将其中一路直流电压输出为恒定电压，与负载连接；
所述Buck2恒流源电路，将另一路直流电压电路输出为恒电流，并连接超级电容器组，为超级电容器组充电；
所述超级电容器组，储存电能，并作为UPS的供电电源。
2.如权利要求1所述基于Buck电路的超级电容UPS装置，其特征在于，还包括微动继电器，所述微动继电器安装在超级电容器组的充电端；所述控制电路板还包括逻辑控制电路，所述逻辑控制电路包括输出采样模块、闭环PWM控制模块、计时及逻辑电路、指示灯的控制电路；
所述输出采样模块，采集电压和电流数据；所述电压数据直接线路采样；所述电流数据通过在电路中串联采样电阻，通过采集采样电阻的电压获得电流数据；
所述闭环PWM控制模块为SG3525芯片，输出采样模块将Buck1恒压源电路的电压、电流信号送到SG3525芯片，经过SG3525芯片处理，送出PWM开关信号到Buck1恒压源电路的开关管；
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所述计时及逻辑电路，由555计时芯片和逻辑门芯片组成；所述555计时芯片按设置时间发出信号，当电网失压时，通过555芯片搭建的计时电路开始计时，延时到设置时间后，发一个信号给逻辑门芯片，输出信号断开/启闭微动继电器，从而断开/启闭超级电容器组；所述逻辑门芯片为CD4011电路芯片。
3.如权利要求1所述基于Buck电路的超级电容UPS装置，其特征在于，所述控制电路板还包括指示灯，所述指示灯连接在逻辑门芯片输出端或超级电容器组充电端。
4.如权利要求3所述基于Buck电路的超级电容UPS装置，其特征在于，所述指示灯包括充电指示灯和计时设置时间指示灯。
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