CN213846304U - 基于超级电容的备用电源管理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超级电容的备用电源管理电路，包括：超级电容备用电源电路和与所述超级电容备用电源电路并联的至少一个第一二极管；所述超级电容备用电源电路包括依次串联至少一个第二二极管、超级电容管理电路及至少一个第三二极管。本实用新型可提高超级电容备用电源电路充放电控制精度。

Description

基于超级电容的备用电源管理电路

技术领域

本实用新型涉及电源控制技术领域，具体而言，涉及一种基于超级电容的备用电源管理电路。

背景技术

随着超级电容的兴起，相较于传统锂电池污染环境、系统复杂、造价高昂、易燃易爆等致命弱点而言，超级电容具有高放电量、充电速度快、安全环保、使用寿命长等优点，被广泛应用于各类场合(如电动公交车、机场摆渡车等)中。但如何能够高效而安全地使用超级电容作为备用电源电路也是当下研究的一个主要问题。现有的超级电容备用电源电路中，电源输入端直接连接负载端，导致输入端电压与输出端电压无法区分，使得超级电容备用电源电路管理精度不高。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是现有的超级电容备用电源电路输入端电压与输出端电压无法区分，使得超级电容备用电源电路管理精度不高。

为解决上述问题，本实用新型提供一种基于超级电容的备用电源管理电路，包括：超级电容备用电源电路和与所述超级电容备用电源电路并联的至少一个第一二极管；所述超级电容备用电源电路包括依次串联至少一个第二二极管、超级电容管理电路及至少一个第三二极管。

可选地，所述超级电容管理电路包括超级电容组及与所述超级电容组输入端连接的充电控制电路，所述充电控制电路包括第一MOSFET开关。

可选地，所述充电控制电路还包括第一开关切换电路和单片机，所述第一开关切换电路包括第一三极管，所述第一三极管的基极连接所述单片机的控制引脚，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极与所述第一MOSFET开关的栅极连接。

可选地，所述超级电容管理电路包括与所述超级电容组输出端连接的放电控制电路，所述放电控制电路包括第二MOSFET开关。

可选地，所述放电控制电路还包括第二开关切换电路和单片机，所述第二开关切换电路包括第二三极管，所述第二三极管的基极连接所述单片机的控制引脚，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极与所述第二MOSFET开关的栅极连接。

可选地，所述超级电容管理电路还包括保护电路，所述保护电路连接在所述第二二极管的阴极与所述充电控制电路的输入端之间。

可选地，所述保护电路包括保险丝和双向稳压二极管。

可选地，所述超级电容管理电路还包括连接在所述第二二极管的阴极与所述充电控制电路的输入端之间的电流和电压检测电路。

可选地，所述基于超级电容的备用电源管理电路还包括：输入电压检测电路和超级电容电压检测电路，输入电压检测电路和超级电容电压检测电路均包括两个分压电阻，所述两个分压电阻之间均设置电压采样点。

可选地，所述第一MOSFET开关为P沟道MOSFET。

本实用新型通过设置与超级电容备用电源电路并联的第一二极管，使得主电源通过第一二极管与超级电容备用电源电路并联，同时，可防止负载端电压过高影响电源输入端，还可避免电源输入端与负载端直接连接在一起，以区分开输入电压和输出电压，进而及时检测输入电压状态(断电、通电及电压电流大小)，及时控制超级电容备用电源电路放电。

附图说明

图1为本实用新型基于超级电容的备用电源管理电路的一实施例示意图；

图2为本实用新型基于超级电容的备用电源管理电路另一实施例示意图；

图3为本实用新型基于超级电容的备用电源管理电路的另一实施例示意图。

附图标记说明：

D1-第二二极管；D2-第三二极管；D3-双向稳压二极管；D4-第一二极管；Q1-第一MOSFET开关；Q2-第二MOSFET开关；Q3-第一三极管；Q4-第二三极管；R4-第一电阻；R5-第二电阻；R6-第三电阻；R7-第四电阻；R10-第五电阻；R11-第六电阻；R12-第七电阻；R13-第八电阻；R2-第九电阻；R8-第十电阻；R3-第十一电阻；R9-第十二电阻；F1-保险丝。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

本实用新型提出一种基于超级电容的备用电源管理电路。

参照图1，在本实用新型基于超级电容的备用电源管理电路的一实施例中，所述基于超级电容的备用电源管理电路包括：超级电容备用电源电路和与所述超级电容备用电源电路并联的至少一个第一二极管D4；所述超级电容备用电源电路包括依次串联至少一个第二二极管D1、超级电容管理电路及至少一个第三二极管D2。

为便于区分和描述，将与超级电容备用电源电路并联的二极管称作第一二极管D4，将阴极与超级电容备用电源电路输入端连接的二极管称作第二二极管D1，将阳极与超级电容备用电源电路输出端连接的二极管称作第三二极管D2。

可选地，参照图2，超级电容备用电源电路的输入端及第一二极管D4的阳极均接电源输入端，超级电容备用电源电路的输出端与第一二极管D4的阴极均接负载端。第二二极管D1设置于电源输入端与超级电容管理电路的输入端之间，第二二极管D1的阳极与电源输入端连接、阴极与超级电容管理电路的输入端连接。第三二极管D2设置于超级电容管理电路的输出端与负载端之间，第三二极管D2的阳极与超级电容管理电路的输出端连接、阴极与负载端连接。其中，第一二极管D4、第二二极管D1及第三二极管D2均可设置为同向并联的两个或两个以上的二极管组。

通过设置与超级电容备用电源电路并联的第一二极管D4，使得主电源通过第一二极管D4与超级电容备用电源电路并联，同时，可防止负载端电压过高影响电源输入端，还可避免电源输入端与负载端直接连接在一起，以区分开输入电压和输出电压，进而及时检测输入电压状态(断电、通电及电压电流大小)，及时控制超级电容备用电源电路放电。

通过设置第二二极管D1，可防止超级电容内的电量直接向输入电源(即电源输入端)的电路倒灌。通过设置第三二极管D2，可防止负载端电压过高影响超级电容组备用电源。

通过在超级电容备用电源电路两端并联至少一个二极管，在超级电容管理电路两端各串联至少一个二极管，使得主电源电压升高不会影响备用电源，备用电源电压升高也不会影响主电源，主电源和超级电容备用电源可以互不干扰，使得负载的电压波动不影响电压敏感的超级电容器组，还可根据实际需求控制超级电容组进行充电或进行放电，使得超级电容组输出处于可控状态，使得本实用新型可广泛用于将超级电容当作备用电源的场合。

可选地，如图2和图3，所述超级电容管理电路包括超级电容组及与所述超级电容组输入端连接的充电控制电路，所述充电控制电路包括第一MOSFET开关Q1。

其中，第一MOSFET开关Q1设置在超级电容组与电源输入端之间，具体可设置于第二二极管D1与超级电容组之间。第一MOSFET开关Q1的状态，直接影响超级电容组是否有输入电流，即直接控制超级电容组是否充电。

可选地，第一MOSFET开关Q1为P沟道MOSFET。可选地，第一MOSFET开关Q1的栅极和源极之间并联一第一电阻R4，以便在栅极电压发生变化时，增强栅极电压变化强度，使第一MOSFET开关Q1顺利导通和截止。

可选地，超级电容组至少包含两个电容板，其中一个电容板接地，另一个电容板接超级电容电压检测电路，超级电容电压检测电路包括两个分压电阻，两个分压电阻之间均设置电压采样点。

通过设置MOSFET开关，使充电控制电路可以根据检测的电压电流信号，以载波的形式控制充电电流和电压，使得充电控制电路可以控制超级电容充电电流大小，进而实现超级电容上电软启动，以延长超级电容的使用寿命。

进一步地，所述充电控制电路还包括第一开关切换电路和单片机，所述第一开关切换电路包括第一三极管Q3，所述第一三极管Q3的基极连接所述单片机的控制引脚，所述第一三极管Q3的发射极接地，所述第一三极管Q3的集电极与所述第一MOSFET开关Q1的栅极连接。

其中，第一三极管Q3的基极连接单片机的控制引脚，单片机通过控制引脚CTRL1施加电压至第一三极管Q3的基极，使集电极与发射极导通，进而降低第一MOSFET开关Q1栅极和源极间电压，使第一MOSFET开关Q1导通；单片机通过控制引脚CTRL1停止施加电压至第一三极管Q3的基极，使集电极与发射极结束导通状态，进而升高第一MOSFET开关Q1栅极和源极间电压，使第一MOSFET开关Q1断开。

可选地，如图2，第一三极管Q3的基极通过第五电阻R10连接到单片机的控制引脚CTRL1，以便在单片机控制引脚CTRL1施加极小电压时，增强基极电压变化，便于第一三极管Q3集电极与发射极的导通。可选地，第一三极管Q3的基极与发射极间并联一第七电阻R12，以便于在单片机控制引脚CTRL1停止施加电压时，快速降低基极电压，使第一三极管Q3快速截止。

可选地，第一三极管Q3的集电极还设置一第三电阻R6，以对第一电阻R4分压。

可选地，如图2和3，所述超级电容管理电路包括与所述超级电容组输出端连接的放电控制电路，所述放电控制电路包括第二MOSFET开关Q2。

其中，第二MOSFET开关Q2设置在超级电容组与负载端之间，具体设置于超级电容组与第三二极管D2之间。第二MOSFET开关Q2的状态，直接影响超级电容组是否能输出电流到负载端，即直接控制超级电容组是否放电。

可选地，第二MOSFET开关Q2为P沟道MOSFET。可选地，第二MOSFET开关Q2的栅极和源极之间并联一第二电阻R5，以便在栅极电压发生变化时，增强栅极电压变化强度，使第二MOSFET开关Q2顺利导通和截止。

通过设置MOSFET开关，使放电控制电路可以根据基于当前的使用模式，控制超级电容组是否放电，且还可控制超级电容组放电电流大小，以适应不同的充电设备。

可选地，所述放电控制电路还包括第二开关切换电路和单片机，所述第二开关切换电路包括第二三极管Q4，所述第二三极管Q4的基极连接所述单片机的控制引脚CTRL2，所述第二三极管Q4的发射极接地，所述第二三极管Q4的集电极与所述第二MOSFET开关Q2的栅极连接。

其中，第二三极管Q4的基极连接单片机的控制引脚CTRL2，单片机通过控制引脚CTRL2施加电压至第二三极管Q4的基极，使集电极与发射极导通，进而降低第二MOSFET开关Q2栅极和源极间电压，使第二MOSFET开关Q2导通；单片机通过控制引脚CTRL2停止施加电压至第二三极管Q4的基极，使集电极与发射极结束导通状态，进而升高第二MOSFET开关Q2栅极和源极间电压，使第二MOSFET开关Q2断开。

可选地，如图2和3，第二三极管Q4的基极通过第六电阻R11连接到单片机的控制引脚CTRL2，以便在单片机控制引脚CTRL2施加极小电压时，增强基极电压变化，便于第二三极管Q4集电极与发射极的导通。可选地，第二三极管Q4的基极与发射极间并联一第八电阻R13，以便于在单片机控制引脚CTRL2停止施加电压时，快速降低基极电压，使第二三极管Q4快速截止。

可选地，第二三极管Q4的集电极还设置一第四电阻R7，以对第二电阻R5分压。

第二二极管D1的输出端与充电控制电路的输入端连接，放电控制电路的输出端与第三二极管D2的输入端连接。

可选地，所述超级电容管理电路还包括保护电路，所述保护电路连接在所述第二二极管D1的阴极与所述充电控制电路的输入端之间。

保护电路包括过流保护、过压保护及防浪涌保护，可设置保险丝F1和双向稳压二极管D3实现过流保护、过压保护及防浪涌保护，以提高超级电容的使用寿命。

可选地，所述超级电容管理电路还包括连接在所述第二二极管D1的阴极与所述充电控制电路的输入端之间的电流和电压检测电路(图2、图3中以GYQ表示)。其中，在电流和电压检测电路设置电流电压采样点ADC2，将检测到的电流电压传输给单片机。

如图2和3，保护电路设置于第二二极管D1的阴极与电流和电压检测电路之间，电流和电压检测电路设置于保护电路和充电控制电路的输入端之间。

上文中的电流和电压检测电路、充电控制电路和放电控制电路均由一个单片机控制。

可选地，如图3，所述基于超级电容的备用电源管理电路还包括：输入电压检测电路和超级电容电压检测电路，输入电压检测电路和超级电容电压检测电路均包括两个分压电阻，所述两个分压电阻之间均设置电压采样点。

其中，输入电压检测电路的分压电阻包含第九电阻R2和第十电阻R8，第九电阻R2和第十电阻R8串联，该串联的两个分压电阻一端与电源输入端连接，另一端接地，在第九电阻R2和第十电阻R8之间设置电压采样点ADC1。

超级电容电压检测电路中的分压电阻包含第十一电阻R3和第十二电阻R9，第十一电阻R3和第十二电阻R9串联，该串联的两个分压电阻一端与超级电容组连接，另一端接地，在第十一电阻R3和第十二电阻R9之间设置电压采样点ADC3。

两个分压电阻之间的电压采样点检测到的电压电流信号传输至单片机，由单片机基于电源输入端电压、超级电容组电压，控制备用电源超级电容组的充电与放电，实现超级电容组充电放电电流的精准控制。

为便于理解本实用新型，再提出一实施例。如图3，在本实施例中，基于超级电容的备用电源管理电路包括：

超级电容备用电源电路及与超级电容备用电源电路并联的第一二极管D4，其中，超级电容备用电源电路的输入端、第一二极管D4阳极均接电源输入端，超级电容备用电源电路的输出端、第一二极管D4阴极均接负载端。超级电容备用电源电路包括依次串联第二二极管D1、超级电容管理电路及第三二极管D2，其中，第二二极管D1的阳极接电源输入端、阴极接超级电容管理电路的输入端，第三二极管D2的阳极接超级电容管理电路的输出端，第三二极管D2的阴极接负载端。超级电容管理电路依次包含保护电路、电流和电压检测电路、充电控制电路、超级电容组及放电电路，其中，保护电路、电流和电压检测电路、充电控制电路、超级电容组及放电电路的相关解释已在上文中一一说明，此处不赘述。

基于上述基于超级电容的备用电源管理电路，包含以下几种工作状态：

常态下，输入DC电压，一路经过输入第二二极管D1、超级电容管理电路、第三二极管D2到输出端，这一路电压输出受超级电容管理电路中的放电控制电路控制，可根据实际需求开关，以提高超级电容备用电源的使用寿命，另一路经过第一二极管D4到输出端。

断电状态下(输入端没有DC电压输入)，单片机通过电流和电压检测电路检测到输入端处于断电状态，控制放电控制电路开启，从而控制超级备用电源开始给负载供电。

启动状态下(即输入端电压从无到有)，单片机通过电流和电压检测电路检测输入端的电压和充电的电流，根据检测到电流的大小，控制充电控制电路输出合适载波信号调节超级电容的充电电流，实现超级电容上电软启动，以延长超级电容的使用寿命，同时在整个充电过程中关闭放电控制电路的MOSFET。其中，在断电状态切换到启动状态时，超级电容启动充电程序。

超级电容仅在启动时采用pwm载波模式充电，在其他正常状态下，充电控制电路中的第一MOSFET开关Q1保持打开状态，放电控制电路中第二MOSFET开关Q2，可根据使用模式选择是否打开，若使用模式为同时供电，则选择打开，若使用模式为仅主电源供电，则选择关闭。

异常状态(过压，欠压，过流)下，检测输入电压高于设定值，关闭第一MOSFET开关Q1和第二MOSFET开关Q2，并输出报警信号；检测输入电压持续低于设定值，打开第一MOSFET开关Q1和第二MOSFET开关Q2，并输出报警信号。检测充电电流高于设定值，关闭第一MOSFET开关Q1和第二MOSFET开关Q2，并输出报警信号。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，包括：超级电容备用电源电路和与所述超级电容备用电源电路并联的至少一个第一二极管；所述超级电容备用电源电路包括依次串联的至少一个第二二极管、超级电容管理电路及至少一个第三二极管。

2.如权利要求1所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述超级电容管理电路包括超级电容组及与所述超级电容组输入端连接的充电控制电路，所述充电控制电路包括第一MOSFET开关。

3.如权利要求2所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述充电控制电路还包括第一开关切换电路和单片机，所述第一开关切换电路包括第一三极管，所述第一三极管的基极连接所述单片机的控制引脚，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极与所述第一MOSFET开关的栅极连接。

4.如权利要求2所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述超级电容管理电路还包括与所述超级电容组输出端连接的放电控制电路，所述放电控制电路包括第二MOSFET开关。

5.如权利要求4所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述放电控制电路还包括第二开关切换电路和单片机，所述第二开关切换电路包括第二三极管，所述第二三极管的基极连接所述单片机的控制引脚，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极与所述第二MOSFET开关的栅极连接。

6.如权利要求2所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述超级电容管理电路还包括保护电路，所述保护电路连接在所述第二二极管的阴极与所述充电控制电路的输入端之间。

7.如权利要求6所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述保护电路包括保险丝和双向稳压二极管。

8.如权利要求2所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述超级电容管理电路还包括连接在所述第二二极管的阴极与所述充电控制电路的输入端之间的电流和电压检测电路。

9.如权利要求1所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述基于超级电容的备用电源管理电路还包括：输入电压检测电路和超级电容电压检测电路，所述输入电压检测电路和所述超级电容电压检测电路均包括两个分压电阻，两个所述分压电阻之间均设置电压采样点。

10.如权利要求2或3所述的基于超级电容的备用电源管理电路，其特征在于，所述第一MOSFET开关为P沟道MOSFET。

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