CN205610314U - 超级电容充放电电路和用该电路制成的计量仪表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超级电容充放电电路，包括限流电阻、旁路放电开关管和电压检测电路；充电电源直接连接用电设备，并通过限流电阻与超级电容连接，旁路放电开关管的活动端与限流电阻并联，电压检测电路的输入端与供电电源连接，输出端与旁路放电开关管的控制端连接。本实用新型还公开了一种应用所述超级电容充放电电路制成的计量仪表。本实用新型的电路和计量仪表在供电电源正常工作时，电源通过限流电阻对超级电容充电，因此电源的性能要求较低；在供电电源掉电时，通过旁路放电开关管将限流电阻短路，从而使得超级电容直接对用电设备进行供电，保证了超级电容存储能量的充分利用；此外，本实用新型结构简单，电路可靠，成本低廉。

Description

超级电容充放电电路和用该电路制成的计量仪表

技术领域

本实用新型具体涉及一种超级电容充放电电路和用该电路制成的计量仪表。

背景技术

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，不间断供电或尽量延长设备掉电后的工作时间已经逐步成为了人们生产和生活中必不可少的要求之一。

超级电容又名黄金电容或法拉电容，其通过极化电解质来进行储能；由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，所以超级电容可以反复充放电数十万次。正因为这些优点，超级电容已经越来越广泛的应用于不间断电源、计量仪表、电动汽车等各行各业，发挥着电能存储器的重要作用。

目前，小容量超级电容充放电电路一般具有两种形式，图1所示的为充电电源和用电设备都与超级电容直连模式的电路原理示意图：充电电源输出一个恒定的电压，这个充电电源在给超级电容充电的同时，供给系统电源。在充电电源停止输出电压时，由超级电容继续给系统电源供电。

这种电路简单，放电充分。但是，这个电路对充电电源要求高。因超级电容内阻很小，在电容电压与电源电压差值比较大时，需要充电电源提供很大的充电电流。几个法拉的超级电容初始充电电流会到几个至十几个安培，几十个法拉的超级电容初始充电电流会达到数十安培。小容量超级电容一般用于小功率设备，设计这么大电流的充电电源，成本会比较高。

图2所示为充电电源和用电设备通过一个限流电阻与超级电容连接的电路原理示意图：充电电源输出一个恒定的电压，这个充电电源在给超级电容充电的同时，供给系统电源。在充电电源停止输出电压时，由超级电容继续给系统电源供电。超级电容充电和放电时都要经过限流电阻。

限流电阻R1一般选用一个阻值几个欧姆的功率型电阻。这个电阻可以将充电电流限制在一两个安培以内，满足小功率设备电源设计。

这种电路对充电电源要求没那么高，可以降低充电电源成本。但是，存在电容放电不充分的弊端。因超级电容放电时，电压是持续下降的，下降到一定水平，用电设备就不能正常工作了。比如，当系统电源电流需要200mA、限流电阻2Ω时，超级电容有0.4V压降区间的能量不能释放出来。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于提供一种能够充分利用超级电容容量又对充电电源性能没有过高要求的超级电容充放电电路。

本实用新型的目的之二在于提供一种利用所述超级电容充放电电路制成的计量仪表。

本实用新型提供的这种超级电容充放电电路，包括限流电阻，还包括旁路放电开关管和电压检测电路；充电电源与用电设备直接连接，并通过限流电阻与超级电容连接，旁路放电开关管的活动端并联在限流电阻两端，电压检测电路的输入端与供电电源连接，输出端与旁路放电开关管的控制端连接；电压检测电路用于检测供电电源的电压，在供电电源正常工作时输出关闭旁路放电开关管的信号，保证充电电源通过限流电阻给超级电容充电，并在供电电源电压下降到设定值时输出打开旁路放电开关管的信号，驱动旁路放电开关管开通，使得超级电容直接对用电设备供电。

所述的超级电容充放电电路还包括控制器；控制器的I/O引脚直接与旁路放电开关管的控制端连接，用于控制旁路放电开关管的开通与关断，从而控制超级电容的充电和放电模式。

所述的旁路放电开关管为三极管、MOS管或IGBT。

所述的电压检测电路包括电压采样电路、开关管模块、上拉电阻和输出限流电阻；电压采样电路用于采样供电电源的电压信号，并将采样的信号输入到开关管模块的控制端；开关管模块的活动端一端通过上拉电阻与充电电源连接，同时还通过输出限流电阻与旁路放电开关管的控制端连接，另一端与地连接。

所述的电压采样电路为电阻分压电路。

所述的开关管模块为三极管、MOS管或IGBT。

所述的开关管模块包括两个第一三极管、第二三极管和辅助上拉电阻；第一三极管的基极与电压采样电路的输出端连接，发射极与地连接，集电极通过辅助上拉电阻与充电电源连接，同时与第二三极管的基极连接；第二三极管的发射极与地连接，集电极通过上拉电阻与充电电源连接，同时通过输出限流电阻与旁路放电开关管的控制端连接。

本实用新型还提供了一种计量仪表，该计量仪表包括所述的超级电容充放电电路，并利用所述的超级电容充放电电路对计量仪表内的超级电容进行充放电。

本实用新型提供的这种超级电容充放电电路，正常工作时，充电电源通过限流电阻对超级电容充电，因此充电电源的性能要求较低；在供电电源掉电时，通过电压检测电路检测供电电源的电压，并适时开通旁路放电开关管将限流电阻短路，从而使得超级电容直接对用电设备进行供电，保证了超级电容存储能量的充分利用。本实用新型结构简单，电路可靠，成本低廉。

附图说明

图1为背景技术的超级电容直连模式的电路示意图。

图2为背景技术的超级电容与限流电阻连接模式的电路示意图。

图3为本实用新型的功能模块图。

图4为本实用新型的一种实施例的电路原理图。

具体实施方式

如图3所示为本实用新型的功能模块图：本实用新型提供的这种超级电容充放电电路，包括限流电阻、旁路放电开关管和电压检测电路；供电电源（图中标示Vmain）通过稳压芯片（图中标示U1）输出稳定的充电电源，直接给用电电源的稳压芯片（图中标示U2）供电并输出电能供用电设备用电；充电电源通过限流电阻与超级电容连接，旁路放电开关管的活动端并联在限流电阻两端；电压检测电路的输入端与供电电源连接，输出端与旁路放电开关管的控制端连接；电压检测电路用于检测供电电源的电压，在供电电源正常工作时输出关闭旁路放电开关管信号，保证充电电源通过限流电阻给超级电容充电，并在供电电源电压下降到设定值时输出打开旁路放电开关管信号，驱动旁路放电开关管开通，由于旁路放电开关管的导通电阻极小，因此限流电阻被旁路放电开关管短路，超级电容通过旁路放电开关管直接对用电设备供电。旁路放电开关管为三极管、MOS管或IGBT等同等功能的开关模块即可。此外，旁路放电开关管的控制端还直接与控制器的I/O引脚连接，控制器能够通过控制I/O引脚的电平信号控制旁路放电开关管的开通与关断，从而控制控制超级电容充电和放电的模式。

如图4所示为本实用新型的一种实施例的电路原理图：超级电容（图中标示C1和C2）通过限流电阻（图中标示R1）连接在充电电源和地之间；旁路放电开关管（图中标示Q1）采用MOS管，其活动端并联在限流电阻两端，控制端连接输出限流电阻（图中标示R4）；电压检测电路包括电压采样电路（图中标示R5和R6）、开关管模块（图中标示V5、V4和R3）、上拉电阻（图中标示R2）和输出限流电阻（图中标示R4）；其中电压采样电路采用的是电阻分压电路，开关管模块包括第一三极管（图中标示V5）、第二三极管（图中标示V4）和辅助上拉电阻（图中标示R3）；电阻分压电路采样供电电源（图中标示Vmain）的电压，并将采样电压输入到第一三极管的基极，第一三极管的发射极与地连接，集电极通过辅助上拉电阻与充电电源连接，同时与第二三极管的基极连接；第二三极管的发射极与地连接，集电极通过上拉电阻与充电电源连接，同时通过输出限流电阻与旁路放电开关管的控制端连接；此外，控制器的I/O引脚连接在第一三极管的基极。

本实用新型的工作过程如下：

当供电电源正常时，第一三极管的基极电压为高，第一三极管的发射极和集电极接通，第二三极管的基极电平被拉低，第二三极管的发射极和集电极断开，旁路放电开关管的控制端被上拉电阻拉高，旁路放电开关管截止，此时供电电源通过稳压芯片V1输出充电电源，通过限流电阻给超级电容充电，同时也直接给用电设备的稳压芯片V2供电；

当供电电源Vmain往下降时，电阻R5和R6采样供电电源的电压形成采样信号（图中标示Vdown），当采样电压信号Vdown大于第一三极管的基极开通电压时，此时第一三极管、第二三极管的工作状态和供电电源正常工作时一样，此时超级电容通过限流电阻和供电电源一起给用电设备供电；

当供电电源继续下降，直至采样电压信号Vdown低于第一三极管的基极开通电压时，此时第一三极管的发射极和集电极截止，第二三极管的基极电压被辅助上拉电阻拉高，第二三极管的发射极和集电极导通，旁路放电开关管的控制端被下拉到地，此时旁路放电开关管的活动端导通，限流电阻被短接，超级电容直接通过旁路放电开关管对用电设备供电。

此外，控制器的I/O引脚直接连接到采样电压信号上，因此控制器能够实时获取供电电源的电压情况，也能够在任意时刻将该I/O引脚的电平改变，从而控制超级电容的充电和放电的模式。

因此，本实用新型提供的这种超级电容充放电电路，在供电电源正常工作时，通过限流电阻对超级电容充电，限流电阻将超级电容的充电电流限制在一定范围内，减小了供电电源的功率需求；在供电电源电压下降到预设值以下时，通过旁路放电开关管将限流电阻进行短接，超级电容直接对用电设备进行供电，使得超级电容可以放电到V2可以工作的最低电压用于用电设备的供电。

应用本实用新型的超级电容充放电电路对超级电容进行充放电控制的计量仪表，能够减小计量仪表内供电电源的功率需求，而且也能够充分利用计量仪表内超级电容存储的能量。

Claims (8)

1. 一种超级电容充放电电路，包括限流电阻，其特征在于还包括旁路放电开关管和电压检测电路；充电电源与用电设备直接连接，并通过限流电阻与超级电容连接，旁路放电开关管的活动端并联在限流电阻两端，电压检测电路的输入端与供电电源连接，输出端与旁路放电开关管的控制端连接；电压检测电路用于检测供电电源的电压，在供电电源高于正常值时输出关闭旁路放电开关管的信号，保证充电电源通过限流电阻给超级电容充电，并在供电电源电压下降到设定值时输出打开旁路放电开关管的信号，驱动旁路放电开关管开通，使得超级电容直接对用电设备供电。

2. 根据权利要求1所述的超级电容充放电电路，其特征在于还包括控制器；控制器的I/O引脚直接与旁路放电开关管的控制端连接，用于控制旁路放电开关管的开通与关断，从而控制超级电容的充电和放电模式。

3. 根据权利要求1所述的超级电容充放电电路，其特征在于所述的旁路放电开关管为三极管、MOS管或IGBT。

4. 根据权利要求1~3之一所述的超级电容充放电电路，其特征在于所述的电压检测电路包括电压采样电路、开关管模块、上拉电阻和输出限流电阻；电压采样电路用于采样供电电源的电压信号，并将采样的信号输入到开关管模块的控制端；开关管模块的活动端一端通过上拉电阻与充电电源连接，同时还通过输出限流电阻与旁路放电开关管的控制端连接，另一端与地连接。

5. 根据权利要求4所述的超级电容充放电电路，其特征在于所述的电压采样电路为电阻分压电路。

6. 根据权利要求4所述的超级电容充放电电路，其特征在于所述的开关管模块为三极管、MOS管或IGBT。

7. 根据权利要求4所述的超级电容充放电电路，其特征在于所述的开关管模块包括两个第一三极管、第二三极管和辅助上拉电阻；第一三极管的基极与电压采样电路的输出端连接，发射极与地连接，集电极通过辅助上拉电阻与充电电源连接，同时与第二三极管的基极连接；第二三极管的发射极与地连接，集电极通过上拉电阻与充电电源连接，同时通过输出限流电阻与旁路放电开关管的控制端连接。

8. 一种计量仪表，其特征在于包括权利要求1~7之一所述的超级电容充放电电路；计量仪表通过所述的超级电容充放电电路对计量仪表内的超级电容进行充放电。