CN108306402B - 一种主控板超级电容后备电源 - Google Patents

一种主控板超级电容后备电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种为了提高充电桩主控板的稳定性和可靠性，本发明设计一套充电桩板极产品超级电容后备电源，该产品主要由超级电容、升压芯片、开关器件等组成，整个设计包括了供电电路、充放电电路、升压电路和状态监测电路，供电电路来自充电桩板极产品本身，是超级电容能量的来源，充放电电路控制超级电容的充电和放电、升压电路将超级电容电压升高至板级产品所需电压，状态监测电路控制供电电源的接入和整个电源的输出。

Description

一种主控板超级电容后备电源
技术领域
本发明涉及一种主控板超级电容后备电源，属于后备电源技术领域。
背景技术
传统的锂电池作为电路板后备电源，不仅在低温的环境下性能较差，而且使用寿命短，充电速度慢，而传统的电容器存在能量密度低，充放电次数少等缺点。在以往的设计中，后备电源占用了很大印刷电路板的面积，高成本的电源管理芯片同样限制了后备电源在对成本敏感的产品中的应用。
主板的关键部件采用应急电源非常必要，而应急电源又要求体积小/质量轻、容量大、性能优良。应急电源经过了镉镍电池、氢镍电池和锂电池等发展，将传统的电池作为电路板后备电源，不仅在低温的环境下性能较差，而且使用寿命短，充电速度慢。而传统的电容器存在能量密度低，充放电次数少等缺点。在以往的设计中，后备电源占用了很大印刷电路板的面积，高成本的电源管理芯片同样限制了后备电源在对成本敏感的产品中的应用。
当前新一代的智能电子产品的快速发展对应急电源的要求越来越高，主板应急电源在向着能量密度高、功率密度大、寿命更长、环境适应性更强的方向发展。
充电桩一般为大功率断续使用的充电设施，可以为车辆提供一路到几路的充电回路，通常为无人管理的公共设施。
主板用后备应急电源，提高充电桩运行稳定性和安全性是非常必要的。超级电容后备应急电源，采用低成本、高效率的电子器件实现电源闭环控制的方式，可以安全稳定的运行，在充电桩控制***供电正常时储存电能，在充电桩控制***电源故障时，及时为充电桩控制***提供应急电能，解决现有技术和产品在运行过程中的掉电后信息丢失及高压通路无法切断问题，具有良好的供电效果，可以很大的提高充电桩运行的可靠性。
如何提供一种低成本，高稳定性，体积小巧的后备电源是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明技术解决的问题为：为了克服现有充电桩控制***用后备应急电源，提高充电桩运行稳定性和安全性，设计了一套充电桩产品超级电容后备电源，该产品主要由超级电容、升压芯片、开关器件等组成。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种主控板超级电容后备电源，包括超级电容、过充保护电路、充放电电路、升压电路和输出控制电路；
所述过充保护电路控制所述充放电电路为超级电容充电，超级电容经充放电电路放电，所述升压电路将超级电容的输出电压升压至主控板所需供电电压大小并输出，所述输出控制电路当外部供电停止时控制输出所述升压电路的输出电压。
优选的，所述过充保护电路当超级电容的电压低于充电阈值时控制充电电路为超级电容充电，当超级电容的电压高于过充保护电压时控制充电电路停止为超级电容充电，所述充电阈值低于过充保护电压。
优选的，所述过充保护电路包括MOS管Q1、电压比较器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R2和R1串联连接在一稳定电压Vz与地之间，电阻R2和R1的公共端连接电压比较器U1的负输入端，电阻R3连接在电压比较器的正输入端与输出端之间，电阻R4连接在电压比较器的正输入端与超级电容的正极，超级电容的负极接地，电压比较器U1的正供电端连接升压电路的输出电压Vout，MOS管Q1的栅极连接电压比较器U1的输出端，MOS管Q1的漏极经二极管D4连接充电电路，源级连接外部输入电源Vin。
优选的，所述充电阈值Vrecharge为：
Figure BDA0001506347930000021
过充保护电压Vovercharge为：
Figure BDA0001506347930000031
Vout为升压电路输出电压。
优选的，所述充电电路包括MOS管Q4、二极管D2、二极管D3和电阻R11，MOS管Q4的漏极连接超级电容的正极，超级电容的负极接地，二极管D2和二极管D3串联连接在MOS管Q4栅极和地之间，电阻R11连接在MOS管Q4栅极与源极之间，MOS管Q4源极在过充保护电路的控制下接收充电电流。
优选的，所述升压电路包括升压芯片U3、电感L1、电容C3、电阻R9、电阻R10；所述电阻R9和电阻R10串联连接在升压芯片U3的输出端与地之间，所述电阻R9和电阻R10的公共端连接升压芯片U3的输出反馈端FB；电感L1的一端连接充放电电路的输出端，另一端连接升压芯片U3的开关转换引脚SW，电容C3连接在升压芯片U3的电源输入端VBAT和地之间，升压芯片U3的使能端EN连接充放电电路的输出端和升压芯片U3的电源输入端VBAT。
优选的，升压芯片U3的输出电压预设值Vp为：
Figure BDA0001506347930000032
优选的，输出控制电路当升压芯片U3输出大于输出开启阈值时，输出所述升压电路的输出电压，当升压芯片U3输出低于放电阈值时，停止所述升压电路的输出电压。
优选的，输出控制电路，包括电阻R5、R6、R7、R8、R12，电压比较器U2、三极管Q3和PMOS管Q2；电阻R5的一端连接稳定电压Vz，另一端连接电压比较器U2的负输入端；电阻R6连接在电压比较器U2的正输入端与地之间；电阻R7一端接收升压电路的输出电压，另一端连接电压比较器U2的正输入端；电阻R8连接在电压比较器U2的正输入端和输出端之间；电压比较器U2的正电源端连接升压电路的输出电压Vout，三极管Q3的基级与电压比较器U2的输出端连接，发射极接地，集电极与PMOS管Q2的栅级连接，PMOS管Q2的漏极与升压电路的输出端相连，PMOS管Q2的源极作为主控板超级电容后备电源的电压输出端，电阻R12连接在PMOS管Q2的源极与升压电路的输出端之间。
优选的，输出开启阈值Vout_H为：
Figure BDA0001506347930000041
放电阈值Vout_L为：
Figure BDA0001506347930000042
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用超级电容作为处理器的备用电源，在故障时能给MCU足够的时间去排查故障和记录存储数据。
(2)本发明对超级电容设计过充保护电路，防止过充，保障***安全；过充保护电路分别设置充电阈值，保证充电的及时性，设置过充保护电压，防止过充
(3)本发明满足了低成本的设计要求，不使用电容充放管理芯片及锂电池等高成本元件，使用超级电容体积小巧且成本低，充放电速度快，重放电次数多，适用于低成本、结构紧凑、紧急掉电危害大的电源主控板。
附图说明
图1为本发明的后备电源组成结构图；
图2为本发明的后备电源电路原理图。
具体实施方式
本发明为充电桩主控板之超级电容后备电源，整个设计包括了过充保护电路、充电电路、超级电容、升压电路和输出控制电路。过充保护电路接收来自充电桩板极产品本身供电电压Vin，控制超级电容，充电路控制超级电容的充电、升压电路将超级电容电压升高至板级产品所需电压，输出控制控制整个电源的输出。具体如图1所示。
(1)超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，放电速度快，容量大，能够瞬间释放巨大的能量，而且充放电循环可达百万次，非常适合用作备用电源，在***突然断电时，在极短时间内为***提供能量。其特性如下：
A.充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；
B.循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”；
C.大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90％；
D.功率密度高，可达300W/KG-5000W/KG，相当于电池的5～10倍；
E.产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；
F.超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；
将超级电容作为本设计的能量载体，可以存储供充电桩控制***工作5s的电能，足够满足充电桩控制***完成用户信息保存，切断高压通路的任务。
(2)过充保护电路的作用是避免超级电容充电完成后继续充电，如果超级电容过充，轻则击穿,重则***。
本发明过充保护电路，包括MOS管Q1、放大器U1、电阻R1、R2、R3、R4组成，Q1为P沟道MOS管，电压比较器U1、电阻R1、R2、R3、R4组成比较电路。电阻R2和R1串联连接在一稳定电压Vz与地之间，电阻R2和R1的公共端连接电压比较器U1的负输入端，电阻R3连接在电压比较器的正输入端与输出端之间，电阻R4连接在电压比较器的正输入端与超级电容的正极，超级电容的负极接地，MOS管Q1的栅极连接电压比较器U1的输出端，MOS管Q1的漏极经二极管D4连接充电电路，源级连接外部输入电源Vin。MOS管Q1工作在开关状态，
P沟道MOS管Q1的作用为保护超级电容，防止过充，当超级电容的电压低小于2.7V时，电压比较器U1输出高电平，P沟道MOS管Q1导通，充电电流通过硝基特二极管D4，通过P沟道MOS管Q4给超级电容充电，然后当超级电容的电压上升到2.7V时，电压比较器U1输出低电平，关闭P沟道MOS管Q1，停止给超级电容充电。当超级电容的电压由于放电低于2.4V时，电压比较器U1重新输出高电平，给超级电容充电。
当超级电容的电压低于2.7V时，Q1开启，充电电流通过二极管D4给超级电容充电；然后当超级电容电压达到2.7V时，关闭Q1，停止通电；当超级电容通过负载放电至2.4V时，重新打开Q1。Q1控制所需电平由输出控制电路输出。
本发明U1的作用为控制过充保护中Q1的通断，由图2可得，超级电容的过充保护电压Vovercharge和重新充电电压Vrecharge表达式如下：
Figure BDA0001506347930000061
Figure BDA0001506347930000062
本发明Vz为2.5V，Vout为U3输出电压，设置Vovercharge为2.7V，Vrecharge为2.4V。即，当超级电容电压大于2.7V时，关闭Q1，停止充电。超级电容电压小于2.4V时，打开Q1，重新充电。
(3)充放电电路是超级电容与电源及负载之间的桥梁，当电源正常供电时，通过该电路给超级电容充电。
本发明超级电容充电电路和放电电路均由Q4、D2、D3、R11组成，这部分电路的作用为限制超级电容最小充电电压，该电压值为D2、D3与Q4GS引脚电压之和，本设计为1.6V。D1为续流二极管，D4用于防止电流倒灌。
(4)输出控制电路完成整个后备应急电源的状态检测及实时控制，后备应急电源的输出及关断。
本设计采用正反馈的方式来实现比较器的作用，如果没有反馈电路，从输出漂移到输入(通常是同相输入)的电容或耦合到地线(同相输入通常连接地线)的输出电流，可能会导致比较器电路变得不稳定。保持高阻抗节点，将有助于把这两种耦合作用降到最低限度。采用正反馈是增加滞后作用的一个常用而有效的解决办法，正反馈具有分离上升和下降转换点的作用，因此，一旦转换操作开始后，输入必须经过一个很长的反向操作，才开始向相反方向转换。
本发明输出控制电路，包括电阻R5、R6、R7、R8、R12，电压比较器U2、NPN三极管Q3，PMOS管Q2。电压比较器U2、电阻R5、R6、R7、R8组成比较电路，电阻R5连接稳压管Q5的稳压输出端，电阻R8连接在电压比较器的正输入端与输出端之间，电阻R7连接在电压比较器的正输入端与升压芯片U3的VOUT端之间，电阻R6连接在电压比较器U2的正输入端和地之间。NPN三极管Q3的基级与电压比较器U2的输出端连接，发射极接地，集电极与PMOS管Q2的栅级连接，PMOS管Q2的漏极与升压芯片的VOUT端相连。
当升压芯片U3的VOUT端的输出电压大于3.26V时，电压比较器U2输出高电平，NPN三极管输出导通，PMOS管Q2导通，后备电源输出与负载电路接通，为主板提供电源。由于主板在低电压运行时会导致输出电流过大，因此设置输出控制电路关断阈值，当升压芯片U3的VOUT端的输出电压低于2.78V时，电压比较器U2输出低电平，NPN三极管输出关断，PMOS管Q2低，后备电源输出与负载电路断开。
本发明U2的作用为控制放电电路中Q2的通断，由电路原理图可得，U3输出的放电高电压门限Vout_H和放电低电压门限Vout_L表达式如下：
Figure BDA0001506347930000071
Figure BDA0001506347930000072
本发明设置V3.3_H为3.26V，V3.3_H为2.78V。即，当升压电路输出电压大于3.26V时，打开Q2、Q3，输出电流。升压电路输出电压小于2.78V时，关闭Q2、Q3，停止电流输出。
当电源Vin断电后，U2的负输入端电压为0，U2输出高电平，Q3开启，Q2开启，实现输出
(5)升压电路的使用可以将超级电容的电压转换为充电桩控制***所需的稳定电压，超级电容的电压小于2.7V，而充电桩控制***采用3.3V，因此采用升压的方式。
本发明升压由集成Boost升压芯片U3、电感L1、电容C3、电阻R9、电阻R10组成，其作用为将超级电容电压升高至板级产品***电压，U3输出的电压为：
Figure BDA0001506347930000081
本发明充电桩板极产品***电压多为3.3V，因此本设计设置U3输出电压为3.3V。本发明的放电时间通常可达20s，可提供的功率大。
采用本发明充电桩控制***用后备应急电源，提高充电桩运行稳定性和安全性是非常必要的。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施方案说明如上，然而上述实施方案并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方案所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种主控板超级电容后备电源，其特征在于，包括超级电容、过充保护电路、充放电电路、升压电路和输出控制电路；
所述过充保护电路控制所述充放电电路为超级电容充电，超级电容经充放电电路放电，所述升压电路将超级电容的输出电压升压至主控板所需供电电压大小并输出，所述输出控制电路当外部供电停止时控制输出所述升压电路的输出电压；
所述升压电路包括升压芯片U3、电感L1、电容C3、电阻R9、电阻R10；所述电阻R9和电阻R10串联连接在升压芯片U3的输出端与地之间，所述电阻R9和电阻R10的公共端连接升压芯片U3的输出反馈端FB；电感L1的一端连接充放电电路的输出端，另一端连接升压芯片U3的开关转换引脚SW，电容C3连接在升压芯片U3的电源输入端VBAT和地之间，升压芯片U3的使能端EN连接充放电电路的输出端和升压芯片U3的电源输入端VBAT；
升压芯片U3的输出电压Vout为：
Figure FDA0002731953070000011
所述过充保护电路当超级电容的电压低于充电阈值时控制充电电路为超级电容充电，当超级电容的电压高于过充保护电压时控制充电电路停止为超级电容充电，所述充电阈值低于过充保护电压；
所述过充保护电路包括MOS管Q1、电压比较器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R2和R1串联连接在一稳定电压Vz与地之间，电阻R2和R1的公共端连接电压比较器U1的负输入端，电阻R3连接在电压比较器的正输入端与输出端之间，电阻R4连接在电压比较器的正输入端与超级电容的正极，超级电容的负极接地，电压比较器U1的正供电端连接升压电路的输出电压Vout，MOS管Q1的栅极连接电压比较器U1的输出端，MOS管Q1的漏极经二极管D4连接充电电路，源级连接外部输入电源Vin；
所述充电阈值Vrecharge为：
Figure FDA0002731953070000021
过充保护电压Vovercharge为：
Figure FDA0002731953070000022
Vout为升压电路输出电压；
所述充电电路包括MOS管Q4、二极管D2、二极管D3和电阻R11，MOS管Q4的漏极连接超级电容的正极，超级电容的负极接地，二极管D2和二极管D3串联连接在MOS管Q4栅极和地之间，电阻R11连接在MOS管Q4栅极与源极之间，MOS管Q4源极在过充保护电路的控制下接收充电电流；
输出控制电路当升压芯片U3输出大于输出开启阈值时，输出所述升压电路的输出电压，当升压芯片U3输出低于放电阈值时，停止所述升压电路的输出电压；
输出控制电路，包括电阻R5、R6、R7、R8、R12，电压比较器U2、三极管Q3和PMOS管Q2；电阻R5的一端连接稳定电压Vz，另一端连接电压比较器U2的负输入端；电阻R6连接在电压比较器U2的正输入端与地之间；电阻R7一端接收升压电路的输出电压，另一端连接电压比较器U2的正输入端；电阻R8连接在电压比较器U2的正输入端和输出端之间；电压比较器U2的正电源端连接升压电路的输出电压Vout，三极管Q3的基级与电压比较器U2的输出端连接，发射极接地，集电极与PMOS管Q2的栅级连接，PMOS管Q2的漏极与升压电路的输出端相连，PMOS管Q2的源极作为主控板超级电容后备电源的电压输出端，电阻R12连接在PMOS管Q2的源极与升压电路的输出端之间；
输出开启阈值Vout_H为：
Figure FDA0002731953070000023
放电阈值Vout_L为：
Figure FDA0002731953070000031
当升压芯片U3的VOUT端的输出电压大于3.26V时，电压比较器U2输出高电平，NPN三极管输出导通，PMOS管Q2导通，后备电源输出与负载电路接通，为主板提供电源；当升压芯片U3的VOUT端的输出电压低于2.78V时，电压比较器U2输出低电平，NPN三极管输出关断，PMOS管Q2低，后备电源输出与负载电路断开。
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