CN219268542U

CN219268542U - 基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块

Info

Publication number: CN219268542U
Application number: CN202320111256.4U
Authority: CN
Inventors: 金阳善; 张海丰; 郑涵; 郭嘉
Original assignee: Qingdao iTechene Technologies Co ltd
Current assignee: Qingdao iTechene Technologies Co ltd
Priority date: 2023-01-13
Filing date: 2023-01-13
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2033-01-13

Abstract

本实用新型涉及基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其包括依次连接的BUCK降压电路、可调的负反馈限流电路、超级电容的均压控制电路及BOOST升压电路；BOOST升压电路的输出端口连接防反接二极管给系统或负载供电；超级电容至少两个。本实用新型设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块

技术领域

本实用新型涉及基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块。本实用新型属于电力通讯领域，具体涉及一种基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，适用于在终端掉电时需进行续航运行上报信息的各类小功率直流负载的通讯应用场合。

背景技术

超级电容是一种通过极化电解质储能的电化学元器件，介于传统电解电容和电池之间的特殊电源，具有功率密度高、寿命长、工作温度范围宽等优点。但是超级电容耐压低，一般是2.5～3V，剧烈充放电或过冲电压均会导致超级电容寿命降低或是损坏。

国网2022版集中器Ⅰ型、能源控制器（专变）、Ⅲ型专变采集终端等技术规范都要求采用超级电容作为后备电源，停电后超级电容单独工作要维持终端运行一定时间（3分钟以上）。基于以上规范要求，各种终端基本都要使用两颗单体150F到180F的大体积超级电容，但是受终端结构限制，要考虑电路布局及超容固定方式，类似于板上板叠层的方式。以前的规范要求基本上只需要使用20F左右的小体积超级电容，占据空间小可直接焊接安装在终端主板上。目前标杆企业和我们同级别的竞争对手基本是直接采购厂家的超容单体或者模组焊接在主板上的形式，充放电管理电路需要同时设计在主板上。目前，大多数设计的终端产品超容安装方式如图1所示，这种方式存在如下缺点：两只大体积的超级电容直接焊接在主板上，会挤占主板上其他元器件的布局空间，造成布局困难；如果用于超容充电的DC/DC等芯片停产，就需要重新设计整个主控板，影响开发周期，提升开发成本；批量生产时，相比单独一个小模块的形式，焊接在主板上的充电电路不方便测试。

总之，该设计要解决的技术问题可以是：克服终端主板结构空间的限制，通过板上板叠加的方式提供一种超容充放电管理模块满足终端规范的技术要求；同时采用模块化的设计思路，使之能够方便应用于不同用途的电力终端产品。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题总的来说是提供一种基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，包括依次连接的BUCK降压电路、可调的负反馈限流电路、超级电容的均压控制电路及BOOST升压电路；

BOOST升压电路的输出端口连接防反接二极管给系统或负载供电；

超级电容至少两个。

作为上述技术方案的进一步改进：

直流供电电源通过BUCK降压电路及负反馈限流电路为超级电容充电；

超级电容具有均压控制电路；

超级电容充满电后，当供电电源断电时，超级电容通过BOOST升压电路为系统及负载电路供电。

BUCK降压电路包括电连接的输入滤波电容、具有BUCK降压芯片的降压电路及输出滤波电路；

其中，输入滤波电路包括电容C1；降压电路包括 BUCK降压芯片U1；输出滤波电路包括电容C3；

在BUCK降压芯片U1中，脚1与脚6之间电连接有自举电容C2，脚6还电连接有储能电感L1的输入端；脚4通过电阻R2接地，脚4BUCK_EN接微处理器MCU的I/O口可控制BUCK降压芯片U1的开启与关断；

输入电压12V一路接脚5，一路通过电阻R1接脚4，脚2与脚5之间接电容C1，脚2接地；脚3一路通过输出反馈电阻R5接地，脚3另一路通过串联的输出反馈电阻R3、R4接储能电感L1的输出端；储能电感L1的输出端一路接电源，一路通过电容C3接地，一路输出给负反馈限流保护电路。

负反馈限流保护电路包括限流电阻R6、R7、三极管Q1、Q2及电阻R8；其中，三极管Q1和电阻R6和R7组成限流反馈控制电路，三极管Q2、电阻R8组成开启充电控制电路；限流反馈控制电路与开启充电控制电路电连接；

BUCK降压电路一路通过并联电阻R6、R7接三极管Q2的集电极，BUCK降压电路一路接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极接三极管Q2的集电极；三极管Q1发射极通过电阻R5输入端后接地；三极管Q2的基极接电阻R5输入端；三极管Q2的发射极输出；

当超级电容欠压时，使得流过电阻R6、R7的电流增大，此时三极管Q1的发射极与基极压降增大，三极管Q1导通，电阻R8有电流通过，使得三极管Q2的基极电压升高，三极管Q2状态趋于截止，将通过电阻R6、R7的电流拉低，三极管Q1又趋于截止，电阻R6与R7两端的电压减小，Q2再一次开启，进行限流充电；

当超级电容E1、E2被充电到设定电压时，三极管Q2的基极通过电阻R8被下拉到GND，三极管Q2处于导通状态，通过电阻R6、R7的电流低于设定值，三极管Q1的发射极和基极压降低于设定值，此时三极管Q1处于截止状态，充电电路正常工作，处于恒压充电状态。

超级电容的均压控制电路包括分压电阻R9、稳压管U3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、三极管Q3和超级电容E1、E2；其中，超级电容E1具有第一保护控制电路；第一保护控制电路包括电阻R11、稳压管U3、电阻R12、三极管Q3及电阻R13；超级电容E2具有第二保护控制电路，第二保护控制电路包括电阻R16、稳压管U4、电阻R17、三极管Q4及电阻R18。

超级电容E1、E2分别通过对应的备选电阻R19及备选电阻R20分压后输出CAP_check通道，CAP_check通道可以接入微处理器MCU的AD采样口作为超级电容的电压检测使用；超级电容接有V_CAP端。

BOOST升压电路包括电连接的输入滤波电路、升压电路、使能控制电路、输出储能滤波电路及输出防反二极管；V_CAP端接入输入滤波电路；

其中，输入滤波电路包括并联的电容C5及C6；升压电路包括含PWM控制器的BOOST升压芯片U2、储能电感L2、续流二极管D2及反馈电阻R22、R23；在BOOST升压芯片U2中，输入电压通过输入滤波电路及储能电感L2接脚1，脚4接入BOOST_EN使能端，脚2接地，在脚2与脚4之间电连接使能控制电路；脚3通过电阻R23接地，脚3与脚5之间并联电容C8与电阻R22；脚1经过二极管D2后及脚5分别电连接输出储能滤波电路的输入端；

使能控制电路包括并联的电容R21及电容C7，BOOST_EN使能端接微处理器MCU的I/O口，用于控制BOOST升压芯片U2的开启与关断；

输出储能滤波电路包括并联的电容C9及电解电容E3。

综上所述，本实用新型主要采取以下几个方面技术和措施，解决超级电容作为后备电源需要维持终端持续运行一定时间、超级电容充电电流不可控、释能利用率低的问题。

本实用新型采用灵活可调整的模块化实用新型思路，把BUCK降压电路、负反馈限流电路、超容均压控制电路、BOOST升压电路等集成在一个模块上，实现对超级电容的动态恒流充电、稳态时的恒压充电，当供电电源断电时由超级电容对直流负载电路进行续航供电，并在超级电容欠压时自动切断负载实现欠压保护以提高超级电容的寿命，可灵活应用于集中器Ⅰ型、能源控制器（专变）、Ⅲ型专变等终端产品，提高开发效率，降低研发成本。

1、根据超级电容的工作特性，实用新型了BUCK降压电路、双三极管和电阻器等器件搭建的可调负反馈限流电路，通过设置电流限值调整超级电容的充电电流大小和充电速度。不仅能够在安全状态下充电，还能避免充电过流损坏超级电容。不仅解决了超级电容的充电问题，还提高了超级电容的寿命。

2、通过采用2只2.7V超级电容的串联均压控制电路实用新型，解决了单个超级电容供电不足和多电容均压的问题；通过对每个超级电容实用新型过压保护控制电路，开启导通均压电阻平衡超级电容分压，限制电容电压进行保护，正常工作断开均压电阻，节能降耗。

3、根据超级电容储能，实用新型BOOST升压释能的方案，做到超级电容低电压时仍可以工作，极大限度地释放能量，而且可以控制超级电容稳定输出恒压，能够限制超级电容释能电流，提高能量利用率和超级电容的可靠性。

4、该实用新型的超级电容充电、放电控制方案，不仅仅实现了控制方便，可操作性强，满足负载系统一定时间的工作，还兼具备电功能，大大提高系统的供电可靠性。

本实用新型设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

附图说明

图1是现有结构示意图。

图2是本实用新型的原理框图。

图3是本实用新型的电路原理示意图。

图4是本实用新型的BOOST升压电路原理示意图。

图5是本实用新型的模板示意图。

图6是本实用新型的针口安装示意图。

实施方式

如图1-6，本实用新型模块电路包括依次连接的BUCK降压电路、可调的负反馈限流电路、超级电容的均压控制电路、BOOST升压电路等；BOOST升压电路的输出端口连接防反接二极管给系统或负载供电，在外部电源掉电的情况下，提供满足一定功率一定时间的电源输出，且能够储能的供电方案。超级电容至少两个。

如图2，供电电源在直流6~40V输入的情况下，通过BUCK降压电路及负反馈限流电路为两只超级电容充电，超级电容的均压控制电路降低供电电源损耗同时对超级电容过压异常进行保护。超级电容充满电后，当供电电源断电时，超级电容通过BOOST升压电路为系统及负载电路供电，保证了终端系统掉电信息的及时上报。

如图3所示，BUCK降压电路包括电连接的输入滤波电容、具有BUCK降压芯片的降压电路及输出滤波电路；

输入电压12V一路接脚5，一路通过电阻R1接脚4，脚2与脚5之间接电容C1，脚2接地；脚3一路通过输出反馈电阻R5接地，脚3另一路通过串联的输出反馈电阻R3、R4接储能电感L1的输出端；储能电感L1的输出端一路接电源，一路通过电容C3接地，一路输出给负反馈限流保护电路；

如图3所示，负反馈限流保护电路包括限流电阻R6、R7、三极管Q1、Q2及电阻R8；其中，三极管Q1和电阻R6和R7组成限流反馈控制电路，三极管Q2、电阻R8组成开启充电控制电路；限流反馈控制电路与开启充电控制电路电连接；

电路工作原理如下：BUCK降压电路一路通过并联电阻R6、R7接三极管Q2的集电极，BUCK降压电路一路接三极管Q1的集电极，三极管Q1的基极接三极管Q2的集电极；三极管Q1发射极通过电阻R5输入端后接地；三极管Q2的基极接电阻R5输入端；三极管Q2的发射极输出；

当超级电容欠压(接近于短路状态)时，使得流过R6与R7的电流增大，此时三极管Q1的E极(发射极)与B极（基极）压降增大，三极管Q1导通，电阻R8有电流通过，使得三极管Q2的B极（基极）电压升高，三极管Q2状态趋于截止，将通过R6与R7的电流拉低，Q1又趋于截止，然后R6与R7两端的电压减小，Q2再一次开启，达到限流充电的作用。

当超级电容被充电到一定电压（处于轻负载状态）时，三极管Q2的B极（基极）通过电阻R8被下拉到GND（地电位），三极管Q2处于导通状态，通过电阻R6与R7的电流较小，三极管Q1的E极(发射极)和B极（基极）压降Veb较小，此时三极管Q1处于截止状态，充电电路正常工作，趋于恒压充电状态。

上述过程是一种负反馈机制，Q1与Q2并不会真正的截止或者完全导通，而是在这种反馈机制下建立一种平衡，由三极管Q1与Q2均处于放大状态，来维持这种平衡。

通过选择三极管型号和电阻R6、R7的值，可以调整限流的值。由于三极管Q1工作在放大状态，对负载的电流变化非常敏感，因此流过负载的电流可以基本保持不变，R6与R7两端的电压约等于三极管Q1的导通电压，则该电路的工作电流主要由R6、R7和三极管Q1的导通电压决定。

如图3所示，超级电容均压控制电路包括分压电阻R9、稳压管U3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、三极管Q3和超级电容E1、E2；其中，超级电容E1具有第一保护控制电路；第一保护控制电路包括电阻R11、稳压管U3、电阻R12、三极管Q3及电阻R13；超级电容E2具有第二保护控制电路，第二保护控制电路包括电阻R16、稳压管U4、电阻R17、三极管Q4及电阻R18；

输入电路通过二极管D1送入超级电容，超级电容接有V_CAP端；

超级电容E1、E2分别通过对应的备选电阻R19及备选电阻R20分压后输出CAP_check通道，CAP_check通道可以接入微处理器MCU的AD采样口作为超级电容的电压检测使用。

如图4所示，BOOST升压电路包括电连接的输入滤波电路、升压电路、使能控制电路、输出储能滤波电路及输出防反二极管；

V_CAP端接入输入滤波电路；

输出储能滤波电路包括并联的电容C9及电解电容E3；

当终端外接交流电源供电时，主控板由AC-DC（交流转直流）电源模块及DC-DC（直流转直流）降压供电正常工作，同时一路直流电源进入模块通过BUCK降压电路及限流保护电路对超级电容进行充电，超级电容充电至一定电压(可选由BUCK_EN控制关闭充电)，当输入电源发生断电后，使能开启BOOST升压电路开始工作，输出恒定电压5.5V，保证系统核心电路工作一定时间及时反馈停电事件等信息。其特征在于BUCK降压电路、负反馈限流电路、超级电容均压控制电路、BOOST升压电路及二极管组成的可调限流充电储能，智能化调整释能的控制方案。

本实用新型通过使用BUCK降压电路及负反馈限流电路对超级电容的充电电流进行限制,实现恒流到恒压充电，节省功耗，适应终端的功耗要求。本电路能够在随着超级电容持续放电过程中电压不断降低的情况下，通过BOOST升压电路稳定输出负载所需的电压。采用模块化的实用新型思路，能够方便应用于不同的电力终端产品。克服终端主板结构空间的限制，通过板上板叠加的方式满足终端规范的技术要求。本实用新型适用于在终端掉电时需进行续航运行停电上报的各类小功率直流负载的通讯应用场合。

本实用新型充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一列举。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本实用新型的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。本实用新型未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims

1.一种基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其特征在于：包括依次连接的BUCK降压电路、可调的负反馈限流电路、超级电容的均压控制电路及BOOST升压电路；

超级电容至少两个。

2.根据权利要求1所述的基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其特征在于：直流供电电源通过BUCK降压电路及负反馈限流电路为超级电容充电；

超级电容具有均压控制电路；

3. 根据权利要求1所述的基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其特征在于： BUCK降压电路包括电连接的输入滤波电容、具有BUCK降压芯片的降压电路及输出滤波电路；

4. 根据权利要求3所述的基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其特征在于：负反馈限流保护电路包括限流电阻R6、R7、三极管Q1、Q2及电阻R8；其中，三极管Q1和电阻R6和R7组成限流反馈控制电路，三极管Q2、电阻R8组成开启充电控制电路；限流反馈控制电路与开启充电控制电路电连接；

5.根据权利要求4所述的基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其特征在于：超级电容的均压控制电路包括分压电阻R9、稳压管U3、电阻R11、电阻R12、电阻R13、三极管Q3和超级电容E1、E2；其中，超级电容E1具有第一保护控制电路；第一保护控制电路包括电阻R11、稳压管U3、电阻R12、三极管Q3及电阻R13；超级电容E2具有第二保护控制电路，第二保护控制电路包括电阻R16、稳压管U4、电阻R17、三极管Q4及电阻R18。

6.根据权利要求5所述的基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其特征在于：超级电容E1、E2分别通过对应的备选电阻R19及备选电阻R20分压后输出CAP_check通道，CAP_check通道可以接入微处理器MCU的AD采样口作为超级电容的电压检测使用；超级电容接有V_CAP端。

7.根据权利要求6所述的基于负反馈限流电路的超级电容充放电管理模块，其特征在于：BOOST升压电路包括电连接的输入滤波电路、升压电路、使能控制电路、输出储能滤波电路及输出防反二极管；V_CAP端接入输入滤波电路；

输出储能滤波电路包括并联的电容C9及电解电容E3。