CN209472436U - 基于超级电容的直流后备电源 - Google Patents
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Abstract
一种基于超级电容的直流后备电源，包括：输入电源接口，与外部输入电源适配，为系统负载提供输入电源；超级电容，用于对系统负载提供备用供电的电能储存元件；超级电容充放电电路，用于对超级电容进行充电或放电；电压采样分析电路，包括电源电压采样电路、电容电压采样电路、核心处理器，对输入电源及所述超级电容的电压进行采样分析，在输入电源电压异常时进行报警，并引导系统负载切换用电模式；电源切换电路，用于对由输入电源供电及由所述超级电容供电进行切换。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源领域，特别涉及一种基于超级电容的直流后备电源。
背景技术
随着智能物联网的普及，人们对于物联网设备可靠工作的要求逐渐提高，当这些设备出现供电中断的情况时，设备内部应有后备电源维持其继续运行并等待供电恢复。传统的后备电源设计主要以电池为储能器件，但由于电池充放电时间长、功率密度低、循环使用寿命短、大容量电池体积大成本高等原因，使得以超级电容作为储能元件的新型后备电源技术开始兴起。但目前基于超级电容的小型低压后备电源往往是将超级电容经限流电阻和防反向二极管与输入电源并联，系统上电的同时为超级电容充电，当输入电源电压下降到低于超级电容电压时，超级电容开始放电，为设备负载提供电源。这种方案存在的问题是缺少对输入电源和超级电量的监控，当设备离线时无法第一时间判断是否是由于输入电源电压低导致离线的，也无法根据当前的供电状态选择合适的电量使用方案；且由于没有电源切换电路，为防止超级电容内的电量直接向直流低压输入电源的电路倒灌就要使用二极管在超级电容充电电路上进行反向阻隔，而在低压供电系统中，二极管造成的电压损失对后备电源电量的损耗是非常严重的。
发明内容
本公开提供一种基于超级电容的直流后备电源，其能够实现对主备电源电压的监测，并避免上述由于防反向二极管的使用对后备电源电量的损耗，特别适合需要低压直流电源的小型物联网设备。
本公开提供一种基于超级电容的直流后备电源，包括：
输入电源接口，与外部输入电源适配，为系统负载提供输入电源；
超级电容，用于对系统负载提供备用供电的电能储存元件；
超级电容充放电电路，用于对所述超级电容进行充电或放电；
电压采样分析电路，包括电源电压采样电路、电容电压采样电路、核心处理器，其中，所述电源电压采样电路和电容电压采样电路对输入电源及所述超级电容的电压进行采样分析，所述核心处理器在输入电源电压异常时进行报警，并引导系统负载切换用电模式；
电源切换电路，用于对由输入电源供电及由所述超级电容供电进行切换。
优选地，所述超级电容充放电电路由所述超级电容与第一电阻串联而成，其一端并联于输入电源正极，另一端接地。
优选地，所述电源电压采样电路由第一集成运放、第二电阻、第三电阻组成，所述第一集成运放的同向输入端经所述第二电阻与输入电源正极相连、经所述第三电阻接地，反向输入端与所述第一集成运放的输出端相连，并与所述核心处理器的第一模数转换端口相连；
所述电容电压采样电路由第二集成运放、第四电阻、第五电阻组成，所述第二集成运放的同向输入端经所述第四电阻与所述超级电容正极相连、经所述第五电阻接地，反向输入端与所述第二集成运放的输出端相连，并与所述核心处理器的第二模数转换端口相连。
优选地，所述核心处理器采用STM32F107单片机，主要功能为数模转换、数据分析、发出报警指令。
优选地，所述后备电源切换电路包含第六电阻和继电器，所述继电器线圈一端通过所述第六电阻与输入电源正极连接，另一端接地，常开触点与输入电源正极相连，常闭触点与所述超级电容正极相连，输出端经稳压二极管和热敏电阻与系统负载相连。
优选地，输入电源为12V直流低压电源。
优选地，所述超级电容为额定电压13.5V，工作温度范围-40℃~+80℃，额定放电容量12F。
本公开中基于超级电容的直流后备电源，采样超级电容作为储能元件，同时设计了电压采样分析电路，监控分析输入电源电压和后备电源电压，由核心处理器完成输入电源失电报警，通知或控制系统负载启用节电模式；采用继电器控制主备电源切换，避免使用防反向二极管带来的后备电源电量损耗。与现有技术相比，本公开的有益效果是：超级电容取代电池进行电量存储，提高了循环使用寿命，缩短充放电时间，电容量相对增大；能够对输入电源掉电发出报警，并引导系统进入节电模式；后备电源电量损耗低，综合供电效率提高。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1显示本公开基于超级电容的直流后备电源的原理图；
图2显示根据示例性实施例的基于超级电容的直流后备电源的电路图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1所示为本公开中基于超级电容的直流后备电源的原理图，图中可见，此种基于超级电容的直流后备电源，包括：
输入电源接口，与外部输入电源适配，为系统负载提供输入电源；
超级电容，用于对系统负载提供备用供电的电能储存元件；
超级电容充放电电路，用于对超级电容进行充电或放电；
电压采样分析电路，包括电源电压采样电路、电容电压采样电路、核心处理器，其中，电源电压采样电路和电容电压采样电路对输入电源及超级电容的电压进行采样分析，核心处理器在输入电源电压异常时进行报警，并引导系统负载切换用电模式；
电源切换电路，用于对由输入电源供电及由超级电容供电进行切换。
图2所示为本公开示例性实施例的电路图。该实施例是以12V直流电源作为输入电源的超级电容后备电源，主要包括：
输入电源接口，与外部输入电源适配，为系统负载提供输入电源；
超级电容C1，对系统负载提供备用供电的电能储存元件；
超级电容充放电电路，用于对超级电容C1进行充电或放电；
电压采样分析电路，包括电源电压采样电路、电容电压采样电路、核心处理器，其中，电源电压采样电路和电容电压采样电路对输入电源及超级电容C1的电压进行采样分析，核心处理器在输入电源电压异常时进行报警，并引导系统负载切换用电模式；
电源切换电路，用于对由输入电源供电及由超级电容C1供电进行切换。
作为优选方案，本实施例中的超级电容为额定电压13.5V，工作温度范围-40℃~+80℃，额定放电容量12F。
作为优选方案，本实施例中的超级电容充放电电路，由超级电容C1与电阻R1串联而成，其一端并联于输入电源正极，另一端接地。
作为优选方案，本实施例中的电源电压采样电路由集成运放U1、电阻R2、R3组成，集成运放U1的同向输入端经R2与输入电源正极相连、经R3与地相连，U1的反向输入端与输出端相连，进而与核心处理器的模数转换端口ADC1相连；
电容电压采样电路由集成运放U2、电阻R4、R5组成，集成运放U2的同向输入端经R4与超级电容C1正极相连、经R5与地相连，U2的反向输入端与输出端相连，进而与核心处理器的模数转换端口ADC2相连。
本实施例中，当上述电阻R1取值为100Ω，R2、R4取值为21KΩ，电阻R3、R5取值为5.6KΩ时，集成运放U1将12V输入电源电压分压至2.5V，集成运放U2将0V~12V的超级电容C1电压分压至0V~2.5V。
作为优选方案，本实施例中的核心处理器采用STM32F107单片机，主要功能为数模转换、数据分析、发出报警指令。
作为优选方案，本实施例中的后备电源切换电路包含电阻R6和继电器K1，继电器K1线圈一端通过R6与输入电源正极连接，另一端接地；K1的常开触点与输入电源正极相连，常闭触点与超级电容C1正极相连，输出接口则经稳压二极管D1和热敏电阻R7与系统负载相连。其中，D1起稳定输出电压作用，热敏电阻R7起过流保护作用。
本实施例中，可通过调节R6的值来调节电源切换电路的动作阈值，计算公式为：动作阈值= 继电器动作电压/（R6+继电器线圈内阻）+继电器动作电压。当输入电源因故障或掉电导致电压低于电源切换电路的动作阈值，电源切换电路将会断开输入电源与系统负载的连接并开始由超级电容存储的电能供电，同时核心处理器发出失电报警并引导负载设备切换至节能模式以减少后备电源的损耗。
上述技术方案只是本公开的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本公开应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本公开上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (7)
1.一种基于超级电容的直流后备电源，其特征在于，包括：
输入电源接口，与外部输入电源适配，为系统负载提供输入电源；
超级电容，用于对系统负载提供备用供电的电能储存元件；
超级电容充放电电路，用于对所述超级电容进行充电或放电；
电压采样分析电路，包括电源电压采样电路、电容电压采样电路、核心处理器，其中，所述电源电压采样电路和电容电压采样电路对输入电源及所述超级电容的电压进行采样分析，所述核心处理器在输入电源电压异常时进行报警，并引导系统负载切换用电模式；
电源切换电路，用于对由输入电源供电及由所述超级电容供电进行切换。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的直流后备电源，其特征在于，所述超级电容充放电电路由所述超级电容与第一电阻串联而成，其一端并联于输入电源正极，另一端接地。
3.根据权利要求1所述的基于超级电容的直流后备电源，其特征在于，所述电源电压采样电路由第一集成运放、第二电阻、第三电阻组成，所述第一集成运放的同向输入端经所述第二电阻与输入电源正极相连、经所述第三电阻接地，反向输入端与所述第一集成运放的输出端相连，并与所述核心处理器的第一模数转换端口相连；
所述电容电压采样电路由第二集成运放、第四电阻、第五电阻组成，所述第二集成运放的同向输入端经所述第四电阻与所述超级电容正极相连、经所述第五电阻接地，反向输入端与所述第二集成运放的输出端相连，并与所述核心处理器的第二模数转换端口相连。
4.根据权利要求1或3所述的基于超级电容的直流后备电源，其特征在于，所述核心处理器采用STM32F107单片机，主要功能为数模转换、数据分析、发出报警指令。
5.根据权利要求1所述的基于超级电容的直流后备电源，其特征在于，所述后备电源切换电路包含第六电阻和继电器，所述继电器线圈一端通过所述第六电阻与输入电源正极连接，另一端接地，常开触点与输入电源正极相连，常闭触点与所述超级电容正极相连，输出端经稳压二极管和热敏电阻与系统负载相连。
6.根据权利要求1所述的基于超级电容的直流后备电源，其特征在于，输入电源为12V直流低压电源。
7.根据权利要求1所述的基于超级电容的直流后备电源，其特征在于，所述超级电容为额定电压13.5V，工作温度范围-40℃~+80℃，额定放电容量12F。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201920220386.5U CN209472436U (zh) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | 基于超级电容的直流后备电源 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201920220386.5U CN209472436U (zh) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | 基于超级电容的直流后备电源 |
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| CN209472436U true CN209472436U (zh) | 2019-10-08 |
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| CN201920220386.5U Active CN209472436U (zh) | 2019-02-21 | 2019-02-21 | 基于超级电容的直流后备电源 |
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| CN (1) | CN209472436U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111157780A (zh) * | 2019-12-28 | 2020-05-15 | 杭州拓深科技有限公司 | 一种掉电报警装置及其控制方法 |
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2019
- 2019-02-21 CN CN201920220386.5U patent/CN209472436U/zh active Active
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