CN111600370A - 一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路。电源在输入功率受限的条件下，通过可调限流保护充电电路给超级电容充电，超级电容均压控制电路降低损耗的同时对电容过压异常进行保护，超级电容充满电后，当负载电路瞬间大电流消耗时，超级电容通过BOOST升压电路大电流泄放供电提升输出瞬间能量密度；当电源断电时，超级电容备电又保证了***异常报警的及时上报。在电源中运行该技术方案，不仅充分有效利用有限能耗，减小大负载投切对电源输入的涌流影响，同时还对超级电容充、放电和均压进行保护，还能备电供电提高了电源的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电力通讯领域，具体涉及一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路。
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件，介于传统电解和电池之间的特殊电源，具有功率密度高、充放电时间短、寿命长、工作温度范围宽等优点。但是，其峰值电流受内阻限制，小尺寸超级电容耐压低一般是2.5～2.7V，剧烈充放电或过冲电压均会导致超级电容寿命降低或损坏。因此，传统的电路降压后给超级电容充电，或者直接通过电阻限流充电、直接输出放电，不仅增加了降压电路的成本，还降低了超级电容寿命。
电力运输、配电、供电网络中，设备产品繁多，大多数环网柜、高压控制柜等都是从干线取电，其控制柜中给终端类通讯设备预留很多直流电源输出接口。控制设备的更新不及时与电能信息采集的实时性相矛盾，这就需要性能更优的小型通讯设备与供电***管理站实时通信，在线及时反馈设备状态信息和故障报警。它的供电电源从控制柜上取电方便，避免单独接220VAC市电的工程难度和复杂性，而取电依靠原有预留接口的电源功率受限，因此需要一种能够调度储能的供电方案，不仅在设备负载加重的情况下保证通讯正常，而且不能造成供电端过负荷或涌流，以免影响用电设备产品性能。
发明内容
针对现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路。
一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，包括依次连接的限流保护充电电路、超级电容均压电路、BOOST升压电路和二极管防反电路组成；其中限流保护充电电路、超级电容均压电路、BOOST升压电路依次连接；BOOST升压电路的端口连接防反二极管，直流输入连接防反二极管，两个二极管输出连在一起同时给***或负载供电。在输入功率受限条件下，保证瞬间大功率输出，且能够备电的供电方案。
所述超级电容限流保护充电电路中，滤波电容C1、限流电阻R1、三极管VT1组成限流电路，二极管VD1、P沟道MOS管VT2和VT3、电阻R2和R3组成限流反馈控制电路，二极管VD2、电阻R4和R5、三极管VT4组成开启储能控制电路。
所述超级电容均压电路由分压电阻R31、稳压管VD11、电阻R11、三极管VT11超级电容C11组成，其中R31、VD11、R11、VT11和R41组成C11的保护控制电路；由R32、VD12、R12、VT12、R42组成超级电容C12的保护控制电路；由R33、VD13、R13、VT13、R43组成超级电容C13的保护控制电路；由R34、VD14、R14、VT14、R44组成超级电容C14的保护控制电路；由R35、VD15、R15、VT15、R45组成超级电容C15的保护控制电路；由R36、VD16、R16、VT16、R46组成超级电容C16的保护控制电路；由R37、VD17、R17、VT17、R47组成超级电容C17的保护控制电路；由R38、VD18、R18、VT18、R48组成超级电容C18的保护控制电路；由R39、VD19、R19、VT19、R49组成超级电容C19的保护控制电路。
所述BOOST升压电路由输入滤波电路、PWM控制器或BOOST升压芯片及其构成的升压电路、输出储能滤波电路组成，其中输入滤波电路由电容C21和C22组成；升压电路由PWM控制器或BOOST升压芯片N1，MOS管VT5、储能电感L1、续流二极管VD3共同组成；输出储能滤波电路由电容C26和电解C27组成，其中芯片N1为PWM控制器或BOOST升压芯片，以及将VT5的MOS管集成在内部的芯片。
所述防反二极管电路由二极管VD5和VD4组成，其中输入连接防反二极管VD5，BOOST升压电路输出连接防反二极管VD4，二者相比较后高电压者输出供给***和负载供电。
本发明的有益效果是：利用三极管的基极和源极开启电压限流保护给超级电容充电，同时通过稳压管和MOS管控制充电电路的开启，不仅具有欠压保护断开充电的功能，还可调限流保护限值，提高超级电容充电速度和可靠性。超级电容均压电路通过多个超级电容串联，将电压提高至直流电源电压值，省去降压电路，降低成本；超级电容过压保护控制电路，正常工作时断开均压电阻降低损耗，过压异常时开启导通电阻均压，实现电容的过压保护和低损耗，提高了超级电容耐电压和可靠性，同时节约了能源。设计通过PWM控制器或升压芯片搭建的Boost升压电路，输出电压可调，输出电流大，超级电容能量利用率高，同时也限制了超级电容泄放电流避免损害自身，还能够输出恒定电压可靠供电。
附图说明
图1为本发明的电路结构框图；
图2为本发明的限流保护充电电路图；
图3为本发明的超级电容均压电路图；
图4为本发明的Boost升压电路图。
具体实施方式
本发明将结合附图，通过以下实施例进一步说明：
如附图1所示，该一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，包括依次连接的限流保护充电电路、超级电容均压电路、BOOST升压电路和二极管防反电路组成。当限功率电源供电时，正常通过防反二极管VD5直接输出U1供电；通过限流保护充电电路中，调整电阻设置充电电流，设置开启超级电容充电电压，使得电源对超级电容进行充电；超级电容通过9个串联提高耐压，设计过压保护控制电路，控制启动并联均压电阻，保证每一个超级电容电压在安全工作区；当超级电容充电至一定电压后，开启BOOST使能工作，升压电路开始工作，输出恒定电压U2，由于U2小于U1，因此正常工作时U1输出供电给***及负载电路。当负载涌流或大电流启机运行，此时由于限功率电源供电不足，U1电压降低，低于U2时，此时超级电容储存的能量通过BOOST升压电路释放，U1和U2自动均能相比较高电压输出，实现对***负载的可靠供电。当输入的限功率电源突然断电，U1急剧降低，此时超级电容输出能量，提供U2电压备电工作，保证***及时反馈故障报警等安检信息。其特征在于限流保护充电电路、超级电容均压电路、BOOST升压电路及二极管组成的可调限流储能，自适应调度释能的控制策略。
如图2所示，超级电容限流充电电路，电源输入DC-IN连接VD2二极管的阳极，其阴极连接分压电阻R4一端，R4另一端分别连接NPN型三极管VT4的基极和分压电阻R5一端，R5的另一端连接GND，VT4的发射极连接GND。DC-IN连接限流电阻R1、滤波电容C1和PNP型三极管VT1的发射极，C1另一端接GND，电阻R1另一端连接VT1的基极和P沟道MOS管VT2的漏极，VT1的集电极连接防反二极管VD1的阳极，VD1的阴极连接VT2的栅极、分压电阻R2、R3和P沟道MOS管VT3的栅极，R3的另一端连接VT4三极管的集电极，分压电阻的R2另一端连接VT2和VT3的源极，VT3的漏极连接超级电容的输入V_CAP。
如图3所示，超级电容均压电路，其特征在于设计电压DC-IN为直流20V，通过串联9个标称额定电压2.7V的超级电容，提高耐压能力。V_CAP即为超级电容串联后的输入端，其连接超级电容C11的正极，C11的正极连接电阻R31和均压电阻R41，R31的另一端接稳压管VD11的阴极，VD11的阳极接电阻R11的一端和NPN型三极管VT11的基极，R11的另一端接VT11的发射极和超级电容C11的负极，R41的另一端接VT11的集电极。
C11的负极连接C12的正极，C12的正极连接电阻R32和均压电阻R42，R32的另一端接稳压管VD12的阴极，VD12的阳极接电阻R12的一端和NPN型三极管VT12的基极，R12的另一端接VT12的发射极和超级电容C12的负极，R42的另一端接VT12的集电极。
C12的负极连接C13的正极，C13的正极连接电阻R33和均压电阻R43，R33的另一端接稳压管VD13的阴极，VD13的阳极接电阻R13的一端和NPN型三极管VT13的基极，R13的另一端接VT13的发射极和超级电容C13的负极，R43的另一端接VT13的集电极。
C13的负极连接C14的正极，C14的正极连接电阻R34和均压电阻R44，R34的另一端接稳压管VD14的阴极，VD14的阳极接电阻R14的一端和NPN型三极管VT14的基极，R14的另一端接VT14的发射极和超级电容C14的负极，R44的另一端接VT14的集电极。
C14的负极连接C15的正极，C15的正极连接电阻R35和均压电阻R45，R35的另一端接稳压管VD15的阴极，VD15的阳极接电阻R15的一端和NPN型三极管VT15的基极，R15的另一端接VT15的发射极和超级电容C15的负极，R45的另一端接VT15的集电极。
C15的负极连接C16的正极，C16的正极连接电阻R36和均压电阻R46，R36的另一端接稳压管VD16的阴极，VD16的阳极接电阻R16的一端和NPN型三极管VT16的基极，R16的另一端接VT16的发射极和超级电容C16的负极，R46的另一端接VT16的集电极。
C16的负极连接C17的正极，C17的正极连接电阻R37和均压电阻R47，R37的另一端接稳压管VD17的阴极，VD17的阳极接电阻R17的一端和NPN型三极管VT17的基极，R17的另一端接VT17的发射极和超级电容C17的负极，R47的另一端接VT17的集电极。
C17的负极连接C18的正极，C18的正极连接电阻R38和均压电阻R48，R38的另一端接稳压管VD18的阴极，VD18的阳极接电阻R18的一端和NPN型三极管VT18的基极，R18的另一端接VT18的发射极和超级电容C18的负极，R48的另一端接VT18的集电极。
C18的负极连接C19的正极，C19的正极连接电阻R39和均压电阻R49，R39的另一端接稳压管VD19的阴极，VD19的阳极接电阻R19的一端和NPN型三极管VT19的基极，R19的另一端接VT19的发射极和超级电容C19的负极，R49的另一端接VT19的集电极。
如图4所示，BOOST升压电路，超级电容的端口V_CAP分别连接滤波电容C21和C22的一端，C21和C22的另一端接GND。超级电容端口V_CAP连接储能电感L1的一端，L1的另一端分别连接续流二极管VD3的阳极和N沟道MOS管VT5的漏极，二极管VD3的阴极连接电解电容C27的正端和电容C26的一端，MOS管的源极连接GND，栅极连接PWM控制器或BOOST升压芯片。滤波电容C26的另一端接GND，电解电容C27的负端接GND。电解C27的正极接防反二极管VD4的阳极，电源输入DC-IN接防反二极管VD5的阳极，VD4和VD5的阴极连接***供电的输出端口DC-OUT。
本发明工作过程如下：
电源输入DC-IN，当分压电阻R5两端的电压大于VT4的be结电压，VT4三极管导通，控制开启超级电容的充电。电源输入通过R1、VT2，分压电阻R2和R3后，R2两端电压大于MOS管的VT3开启电压Ugs，VT3导通，电流流过VT3至V_CAP给超级电容充电；三极管VT1的be结电压钳位导通，限流电阻R1两端的电压保持在VT1的be结电压，因此通过调整R1的阻值能够计算出流限值I，计算公式为I＝Ube/R1。
当电源输入DC-IN断电，则通过二极管VD2、分压电阻R4、R5，R5两端电压低于VT4的be结开启电压，VT4的集电极和发射极断开，此时分压电阻R2的电压降低，P MOS管VT3的漏极和源极不导通，断开给超级电容充电。其发明特征在于P沟道MOS管VT2漏极至源极寄生二极管和二极管VD1防止超级电容从VT3漏电流流过，防反二极管VD2防止漏电流从VT3和VT4流过。
串联后的的超级电容，通过限流充电电路充电，端口V_CAP电压逐渐升高，每个超级电容设计过压保护电路，如超级电容C11的保护电路中，当其电压超过2.7V后稳压管VD11导通并钳位，此时R11两端电压达到三极管VT11的开启电压，VT11导通，电压R41并联在C11两端进行均压分流，避免电容过压损坏；正常工作时，稳压管VD11不导通，R11电阻两端电压低于VT11的开启电压，VT11不导通，均压电阻无电流流过降低损耗。依此为例，超级电容C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19均设计过压保护的均压控制电路。
超级电容充电后电压通过端口V_CAP输出，PWM控制器或升压芯片N1工作输出PWM波，控制N沟道MOS管VT5开通关断，将能量存储在电感L1，经过续流二极管VD3输出，C23和C24电容进行滤波，经过防反二极管VD4稳定输出U2。
正常负载工作时，DC-IN经过二极管VD5后的电压U1＞U2，直接供电给***；当***大负荷工作或涌流，由于DC-IN电源功率受限U1降低，此时U2＞U1，由超级电容经BOOST升压供电；当DC-IN断电时，U1＝0，超级电容限流电路控制断开充电，超级电容通过升压电路放电，直到放电完成为止。
综上所述，本发明主要采取以下几方面技术和措施，解决传统限流电源瞬态电流小、超级电容充放电电流不可控、释能利用率低的问题。
1、根据超级电容的工作特性，设计了三极管、MOS和电阻电容器件搭建的可调充电限流电路，通过设置流限值调整超级电容充电电流大小和充电速度，不仅能够在安全状态下大电流充电，还能避免充电过流损坏超级电容，不仅解决超级电容充电问题，还提高了电容寿命。
2、通过采用9个2.7V超级电容的串联均压电路设计，解决了单个超级电容耐压不足和多电容均压的问题；通过对每个超级电容设计过压保护控制电路，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，设计BOOST升压释能的方案，降低超级电容仍工作的电压，极大限度释能能量，而且可控制电容停止放电，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、该发明的超级电容的充电、放电控制方案，不仅仅实现了控制方便，可操性强，满足***或负载长时间大电流拉载泄放或瞬态涌流，还兼具备电功能，大大提高***的供电可靠性。
本发明的内容不限于以上实施例列举的内容，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，其特征在于，包括依次连接的限流保护充电电路、超级电容均压电路、BOOST升压电路和二极管防反电路组成；其中限流保护充电电路、超级电容均压电路、BOOST升压电路依次连接；BOOST升压电路的端口连接防反二极管，直流输入连接防反二极管，两个二极管输出连在一起同时给***或负载供电，在输入功率受限条件下，提供满足瞬间大功率输出，且能够备电的供电方案。
2.根据权利要求1所述的一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，其特征在于，超级电容限流保护充电电路中，滤波电容C1、限流电阻R1、三极管VT1组成限流电路，二极管VD1、P沟道MOS管VT2和VT3、电阻R2和R3组成限流反馈控制电路，二极管VD2、电阻R4和R5、三极管VT4组成开启储能控制电路。
3.根据权利要求1所述的一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，其特征在于，超级电容均压电路由分压电阻R31、稳压管VD11、电阻R11、三极管VT11和超级电容C11组成，其中R31、VD11、R11、VT11和R41组成C11的保护控制电路；由R32、VD12、R12、VT12、R42组成超级电容C12的保护控制电路；由R33、VD13、R13、VT13、R43组成超级电容C13的保护控制电路；由R34、VD14、R14、VT14、R44组成超级电容C14的保护控制电路；由R35、VD15、R15、VT15、R45组成超级电容C15的保护控制电路；由R36、VD16、R16、VT16、R46组成超级电容C16的保护控制电路；由R37、VD17、R17、VT17、R47组成超级电容C17的保护控制电路；由R38、VD18、R18、VT18、R48组成超级电容C18的保护控制电路；由R39、VD19、R19、VT19、R49组成超级电容C19的保护控制电路。
4.根据权利要求1所述的一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，其特征在于，BOOST升压电路由输入滤波电路、PWM控制器或BOOST升压芯片及其构成的升压电路、输出储能滤波电路组成，其中输入滤波电路由电容C21和C22组成；升压电路由PWM控制器或BOOST升压芯片N1，N沟道MOS管VT5、储能电感L1、续流二极管VD3共同组成；输出储能滤波电路由电容C26和电解C27组成；其中N1包括将VT5的MOS管集成在内部的芯片。
5.根据权利要求1所述的一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，其特征在于，二极管防反电路由二极管VD5和VD4组成，其中电源输入连接防反二极管VD5，BOOST升压电路输出连接防反二极管VD4，二者相比较后高电压者输出供给***和负载供电。
6.根据权利要求1所述的一种终端类基于超级电容充放电保护的直流供电调度电路，其特征是芯片N1为PWM控制器或BOOST升压芯片，以及将VT5的MOS管集成在内部的芯片。
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