CN211981525U - 一种超级电容充放电模块和电力终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超级电容充放电模块和电力终端。一种超级电容充放电模块，包括：充电电路、超级电容组、放电电路和掉电检测电路；所述充电电路、所述放电电路分别与所述超级电容组连接；所述充电电路与充电电源连接，为所述超级电容组充电；所述掉电检测电路分别与充电电源、所述放电电路连接。相较于现有技术，本实用新型提供的一种超级电容充放电模块和电力终端，具有以下优点：1、通过升压芯片转换后，供电输出过程电平恒定，不存在电压线性下跌的情况；2、升压芯片基于掉电检测电路的掉电信号的控制，能够基于模块本身实现正常有电时法拉电容模组只被充电而不升压放电，系统掉电后自动开始升压输出，不需要软件参与。

Description

一种超级电容充放电模块和电力终端

技术领域

本实用新型涉及电气领域，尤其涉及一种超级电容充放电模块和电力终端。

背景技术

目前用于配网领域的超级电容备电方案除采用大容量法拉电容串、并、混联组合后线性充放电外，还存在法拉电容串、并、混联组合后经过升压芯片输出的方式。其中第一种线性放电方式存在放电过程中电压不稳定，成线性下降趋势，且法拉电容模组由于后级系统电源芯片工作电压门限值限制，导致放电电压区间有限，单体法拉电容容量利用率不高，导致整个模组实际需占用空间较大。第二种方式，存在升压过程不受控或者需要应用软件介入而控制不及时、程序紊乱而失控等风险。这种经过升压芯片输出方式存在特定工作条件下(如高温75度)由于后级电路中防反灌二极管漏电流超过升压芯片允许值引起升压芯片工作异常，从而法拉电容不能正常被充电，前端限流电阻始终处于最大过流状态，最终导致印制板烧坏、发黑等问题。

专利号为ZL201710673780.X的专利文献公开了一种用电信息采集设备停电上报实现方法及电路，该掉电检测方法由通信模块检测电表的供电电压和电网过零点信号来判断掉电状态；该电路方案包括充电电路，法拉电容，升压电路和掉电检测及控制电路。所述充电电路与输入电压VDD相连；所述充电电路的输出与法拉电容相连；所述升压电路的输入与法拉电容连接；所述掉电检测及控制电路分别与充电电路和升压电路的U1的4引脚EN相连。本实用新型提出了一种可适用于通信模块，实现电路结构简单、低成本、高可靠性和功能完善的掉电上报电路。但是这里的掉电检测主要是为了将终端的掉电信息上报，并不会因此去控制超级电容的供电输出，从而依然存在上述问题。

因而现有的超级电容充放电技术存在不足，还有待改进和提高。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种超级电容充放电模块和电力终端，能够解决背景技术中提到的技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种超级电容充放电模块，包括：充电电路、超级电容组、放电电路和掉电检测电路；所述充电电路、所述放电电路分别与所述超级电容组连接；所述充电电路与充电电源连接，为所述超级电容组充电；所述掉电检测电路分别与充电电源、所述放电电路连接。

优选的所述的超级电容充放电模块，所述掉电检测电路包括：掉电检测芯片和反逻辑开关；所述掉电检测芯片的输入端与所述充电电源连接，输出端与所述反逻辑开关连接，所述反逻辑开关与所述放电电路连接。

优选的所述的超级电容充放电模块，所述放电电路包括放电电感和升压芯片；所述升压芯片通过所述放电电感与所述超级电容组的放电端连接；所述反逻辑开关的输出端反逻辑后与所述升压芯片的使能端连接；所述升压芯片对外供电。

优选的所述的超级电容充放电模块，所述反逻辑开关为NPN三极管，所述NPN三极管的基极与所述掉电检测芯片的输出端连接，集电极与所述升压芯片的使能端连接。

优选的所述的超级电容充放电模块，所述升压芯片型号为TPS61089或SGM6610。

优选的所述的超级电容充放电模块，所述掉电检测芯片的型号为R3111H421A-T1-F。

优选的所述的超级电容充放电模块，所述充电电路包括充电开关、充电稳压器、充电隔离器；所述充电隔离器一端接充电电源，另一端与所述充电开关连接；所述充电稳压器的一端与所述超级电容组连接，另一端与所述充电开关连接；所述充电开关分别与所述超级电容组的充电端连接。

优选的所述的超级电容充放电模块，所述超级电容组包括多个法拉电容；多个所述法拉电容通过串联或并联或混联装设。

一种电力终端，具有所述的超级电容充放电模块作为后备电源，所述掉电检测电路还与终端系统的工作电压连接。

相较于现有技术，本实用新型提供的一种超级电容充放电模块和电力终端，具有以下优点：

1、通过升压芯片转换后，供电输出过程电平恒定，不存在电压线性下跌的情况；

2、升压芯片基于掉电检测电路的掉电信号的控制，能够基于模块本身实现正常有电时法拉电容模组只被充电而不升压放电，系统掉电后自动开始升压输出，不需要软件参与；

3、基于升压芯片使能受控后规避了特定工作环境下(如高温75℃)，升压芯片由于后继电路漏电流超标导致的升压芯片工作异常、法拉电容模组不能充满电及前端限流电阻过热烧坏印制板的情况。

附图说明

图1是本实用新型提供的所述超级电容充放电模块的结构框图；

图2是本实用新型提供的掉电检测电路的电路图；

图3是本实用新型提供的中超级电容充放电模块在放电阶段的电压输出状态图；

图4是本实用新型提供的超级电容充放电模块的电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

请一并参阅图1-图3，在图2和图4中，在不同的电路图中的接线处相同标识为连接在一起，为本领域电路图接线的常规表达。本实用新型提供一种超级电容充放电模块，包括：充电电路1、超级电容组2、放电电路3和掉电检测电路4；所述充电电路1、所述放电电路3分别与所述超级电容组2连接；所述充电电路1与充电电源连接，为所述超级电容组2充电；所述掉电检测电路4分别与充电电源、所述放电电路3连接。

作为优选方案，本实施例中，所述充电电路1包括充电开关、充电稳压器、充电隔离器；所述充电隔离器一端接充电电源，另一端与所述充电开关连接；所述充电稳压器的一端与所述超级电容组2连接，另一端与所述充电开关连接；所述充电开关分别与所述超级电容组2 的充电端连接。具体的，请着重参阅图4，所述充电开关优选为NPN三极管V1；所述充电稳压器优选为稳压二极管V2，型号为AZ431；所述充电隔离器优选为隔离二极管V3。

作为优选方案，本实施例中，所述放电电路3包括放电电感L1和升压芯片U1；所述升压芯片U1通过所述放电电感L1与所述超级电容组2的放电端连接；所述升压芯片U1通过VOUT端对外供电。具体的，所述升压芯片U1的优选型号为TPS61089或SGM6610。

具体的，本实施例以两个法拉电容串联组合形成超级电容组2为例，进行详细说明，如图4所示，本实用新型提供的超级电容充放电模块的工作原理简述如下：VIN为充电电平，即VIN与所述充电电源连接，向所述充电电路1供电，常见为5V、12V等；VOUT为所述放点电路3对外的输出电平，常见为12V、9.5V等。其中，所述升压芯片U1的EN端点的 CTRL为对升压芯片U1的使能引脚控制信号(所述控制信号通过电平的高低表达，为所述升压芯片U1的常规使用)。在具体实施中，所述升压芯片的使用为本领域的常规形式，即根据手册说明，当所述控制信号为0时，升压芯片U1被禁止工作，当CTRL处的所述控制信号被拉高(小于7V)时，所述升压芯片U1被使能，开始正常工作。

如图3所示，假定0时刻，所述超级电容组2已经处于被充满电状态，t0时候为掉电瞬间，0～t0为系统有电的情况，此时升压芯片U1不能正常工作，无输出。t0时刻发生系统掉电，此时升压芯片U1被使能开始正常工作，t0～t1为升压芯片正常工作输出时间，当大于t1时刻后，所述超级电容U1的电压已低于升压芯片U1最小允许工作电压，升压芯片U1不能再正常工作，输出为零。这样做的有益效果如图3显示，保证所述超级电容组2在整个放电过程中保持输出电压恒定，同时提高了所述超级电容组2中单体法拉电容电压容量空间的利用率。

作为优选方案，本实施例中，所述掉电检测电路4包括：掉电检测芯片V8和反逻辑开关V7；所述掉电检测芯片V8的输入端与所述充电电源连接，输出端与所述反逻辑开关V7连接，所述反逻辑开关V7与所述放电电路3连接，所述反逻辑开关V7的输出端反逻辑后与所述升压芯片U1的使能端连接。优选的，所述掉电检测芯片V8的型号为R3111H421A。

作为优选方案，本实施例中，所述反逻辑开关V7为NPN三极管，所述NPN三极管的基极与所述掉电检测芯片连接，集电极与所述升压芯片连接。所述反逻辑连接，为三极管的非常规使用，正常情况下，三极管的输出信号由发射极输出，但是本实用新型中的三极管发射极接地，由集电极担当输出信号位，能够实现信号的反逻辑输出，即由基极输入高电平，则所述集电极输出低电平，由基极输入低电平，则集电极输出高电平。

结合图2的掉电检测电路4进行反逻辑，即可实现系统有电时，即VIN存在电源接入时，所述掉电检测电路4通过输出端CTRL对所述升压芯片U1的EN引脚输出低电平信号，对所述升压芯片U1不使能，所述升压芯片U1不工作，所述超级电容组只被充电，不放电。系统掉电时，即VIN不存在电源接入时，所述掉电检测电路4通过输出端CTRL对所述升压芯片 U1的EN引脚输出高电平信号，所述升压芯片U1被使能，开始正常工作，此时所述超级电容组2开始对外供电，供电电压经过所述升压芯片U1升压后正常输出。掉电检测芯片及其分立器件组成的逻辑电路起到了关键作用，能够实现掉电自动无缝切换。同时，请再次参阅图2中，当所述超级电容充放电模块接入电力终端后，所述掉电检测电路4还通过图2中VSys 接线与电力终端系统电压连接，可以提高对于充电电压是否存在的检测精度。相应的，所述掉电检测电路4还可以通过图2中CAP_CTRL接线与电力终端中的处理器连接，用于接收处理器发送的控制信号，并直接将控制信号通过CTRL接线控制所述升压芯片U1的使能与否，这是在所述掉电检测电路4失去作用后，通过上位机处理器软件控制方式，存在一定的延时与不稳定的情况，因此，本实用新型常用的方法是通过所述掉电检测电路4的结构实现检测，并驱动所述升压芯片U1的使能与否。

作为优选方案，本实施例中，所述超级电容组2包括多个法拉电容；多个所述法拉电容通过串联或并联或混联装设。应当说明的是，此处所述的多个所述法拉电容通过串联或并联或混联的装设方式为本领域常用的装设方式，本实用新型不做具体限定。其中所述混联为同时包括串联和并联两种装设方式，为本领域的公知技术。

实施例2

本申请还提供一种电力终端，具有实施例1中所述的超级电容充放电模块作为后备电源，所述掉电检测电路4还与终端系统的工作电压连接。

在所述超级电容充放电模块接入电力终端时，掉电检测电路4工作原理图简述如下：请一并参阅图2和图4，所述掉电检测芯片V8为漏极开漏输出的器件，VIN为图4中给法拉电容充电的电平，VSys为所述电力终端的系统工作电压，常见为3.3V、1.8V等；POW_DOWN 为与电力终端的处理器连接的信号点，用于向所述电力终端发送掉电信息。该所述掉电检测电路4在所述电力终端系统有电时，POW_DOWN为高电平，经过三极管V7反逻辑后CTRL 为低电平，用来控制图4中升压芯片U1的使能引脚，实现了有电不使能升压芯片，系统正常运行；在系统工作电压VSys或充电电压VIN掉电后，如VIN低于一定电压时，所述掉电检测芯片V8输出为低电平，从而POW_DOWN为低电平，所述电力终端的处理器收到低电平信息，开始进行数据备份或故障上报工作，同时掉电瞬间经三极管V7反逻辑后CTRL为高电平，用来控制图4中升压芯片U1的使能引脚，实现掉电瞬间升压芯片被使能，开始正常工作，保证所述电力终端的处理器进行数据备份或故障上报工作完成。其中CAP_CTRL为引入的软件控制信号(即电力终端的处理器直接输出的控制信号)，兼容了应用软件控制。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种超级电容充放电模块，其特征在于，包括：充电电路、超级电容组、放电电路和掉电检测电路；所述充电电路、所述放电电路分别与所述超级电容组连接；所述充电电路与充电电源连接，为所述超级电容组充电；所述掉电检测电路分别与充电电源、所述放电电路连接。

2.根据权利要求1所述的超级电容充放电模块，其特征在于，所述掉电检测电路包括：掉电检测芯片和反逻辑开关；所述掉电检测芯片的输入端与所述充电电源连接，输出端与所述反逻辑开关连接，所述反逻辑开关与所述放电电路连接。

3.根据权利要求2所述的超级电容充放电模块，其特征在于，所述放电电路包括放电电感和升压芯片；所述升压芯片通过所述放电电感与所述超级电容组的放电端连接；所述反逻辑开关的输出端反逻辑后与所述升压芯片的使能端连接；所述升压芯片对外供电。

4.根据权利要求3所述的超级电容充放电模块，其特征在于，所述反逻辑开关为NPN三极管，所述NPN三极管的基极与所述掉电检测芯片连接，集电极与所述升压芯片连接。

5.根据权利要求3所述的超级电容充放电模块，其特征在于，所述升压芯片型号为TPS61089或SGM6610。

6.根据权利要求3所述的超级电容充放电模块，其特征在于，所述掉电检测芯片的型号为R3111H421A-T1-F。

7.根据权利要求1所述的超级电容充放电模块，其特征在于，所述充电电路包括充电开关、充电稳压器、充电隔离器；所述充电隔离器一端接充电电源，另一端与所述充电开关连接；所述充电稳压器的一端与所述超级电容组连接，另一端与所述充电开关连接；所述充电开关分别与所述超级电容组的充电端连接。

8.根据权利要求1所述的超级电容充放电模块，其特征在于，所述超级电容组包括多个法拉电容；多个所述法拉电容通过串联或并联或混联装设。

9.一种电力终端，其特征在于，具有权利要求1-8任一所述的超级电容充放电模块作为后备电源，所述掉电检测电路还与终端系统的工作电压连接。

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