CN111786552A - 一种基于超级电容的升压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能电能表通信单元领域，尤其涉及一种基于超级电容的升压电路。包括供电电路、超级电容充电电路和升压电路；所述供电电路用于常态下为升压电路供电；超级电容充电电路用于在供电电路断电情况下为升压电路供电；所述升压电路用于为电路稳压；所述供电电路一端、超级电容充电电路的一端均与电源输入端VCC1连接，所述供电电路另一端、超级电容充电电路的另一端均与所述升压电路的一端连接，所述升压电路的另一端与电源输出端VCC2连接。根据通信单元“掉电上报”的应用要求，在通信单元电源电路中增加1个超级电容充电电路作为后备电源，并通过升压芯片U1进行稳压，当超级电容CD1放电至较低电压时，通过升压芯片U1，输出端仍能保持正常的工作电压。

Description

一种基于超级电容的升压电路
技术领域
本发明涉及智能电能表通信单元领域，尤其涉及一种基于超级电容的升压电路。
背景技术
目前，通信单元安装在智能电能表的通信模块仓内，由电能表为通信单元供电。根据国网企标最新的要求，通信单元需要配置后备电源，在电能表掉电的情况下，通信单元能够将电能表掉电事件上报主站。受到通信单元壳体尺寸的限制，传统的电池无法安装，因此超级电容成为首选方案。
超级电容随着放电，两端电压会逐渐降低。通信单元内部的芯片工作电压通常在2V以上，如果使用超级电容直接供电，当电容两端电压放电到2V左右时，通信单元将不能正常工作，超级电容的使用效率不足40％。
因此，一个高效率的超级电容供电电路，在通信单元实际应用中是必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超级电容的升压电路，解决超级电容的利用率低的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于超级电容的升压电路，包括供电电路、超级电容充电电路和升压电路；
所述供电电路用于常态下为升压电路供电；
所述超级电容充电电路用于在供电电路断电情况下为升压电路供电；
所述升压电路用于为电路稳压；
所述供电电路一端、超级电容充电电路的一端均与电源输入端连接，所述供电电路另一端、超级电容充电电路的另一端均与所述升压电路的一端连接，所述升压电路的另一端与输出电源端连接。
进一步，所述超级电容充电电路包括超级电容、第一电阻、第二电阻、第二二极管和第三二极管，所述第一电阻与所述第二电阻并联设置，所述超级电容一端接地，所述第一电阻、第二电阻的并联连接电路一端分别与所述超级电容的另一端、第二二极管的一端连接，所述第一电阻、第二电阻的并联连接电路另一端通过所述第三二极管与电源输入端连接，所述第二二极管的另一端分别与所述供电电路、升压电路连接。
进一步，所述第一电阻和第二电阻为0603封装相同阻值的电阻
进一步，还包括并联设置的第一电容和第二电容，所述第一电容与第二电容并联电路的一端接地，所述第一电容与第二电容并联电路的另一端与电源输入端连接。
进一步，所述升压电路包括储能模块、升压芯片、分压模块和第四电阻，所述升压芯片通过所述第四电阻分别与所述供电电路、超级电容充电电路连接；
所述储能模块用于储能且为升压芯片供电；
所述分压滤波模块用于对所述升压芯片的输出信号进行分压处理；
进一步，还包括并联设置的第三电容和第四电容，所述第三电容和第四电容并联电路的一端接地，所述第三电容和第四电容并联电路的另一端与输出电源端连接。
进一步，所述储能模块为储能电感。
进一步，所述分压模块包括第三电阻和第五电阻，所述第五电阻一端接地，所述第五电阻的另一端与所述升压芯片的反馈电压接脚(FB)连接，所述第三电阻的一端与升压芯片的电源输出端接脚(VOUT)、反馈电压接脚(FB)连接。
进一步，所述升压芯片为六脚升压芯片，包括信号电源输入接脚(VCC)、功率开关输出脚(SW)、电源输出端接脚(VOUT)、反馈电压接脚(FB)、地线接脚(GND)和使能接脚(EN)，所述使能接脚(EN)与所述第四电阻连接，所述地线接脚(GND)接地，所述反馈电压接脚(FB)与所述第五电阻连接，所述电源输出端接脚(VOUT)为通信单元输出电压，所述信号电源输入接脚(VCC)分别与所述供电电路、超级电容充电电路及储能模块连接，所述功率开关输出脚(SW)与所述储能模块连接。
进一步，所述供电电路包括第一二极管，所述第一二极管一端与电源输入端连接，所述第一二极管另一端分别与所述超级电容充电电路、升压电路连接。
本发明提供一种基于超级电容的升压电路，包括供电电路、超级电容充电电路和升压电路；
所述供电电路用于常态下为升压电路供电；
所述超级电容充电电路用于在供电电路断电情况下为升压电路供电；
所述升压电路用于为电路稳压；
所述供电电路一端、超级电容充电电路的一端均与电源输入端连接，所述供电电路另一端、超级电容充电电路的另一端均与所述升压电路的一端连接，所述升压电路的另一端与输出电源端连接。
这样，根据通信单元“掉电上报”的应用要求，在通信单元电源电路中增加1个超级电容充电电路作为后备电源，并通过升压芯片进行稳压，当超级电容放电至较低电压时，通过升压芯片，输出端仍能保持正常的工作电压，既为通信单元提供了后备电源，又提升了超级电容的使用效率。
附图说明
图1为本发明一种基于超级电容的升压电路的电路原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
VCC1：电源输入端；D1：第一二极管；D2：第二二极管；D3：第三二极管；CD1：超级电容；C1：第一电容；C2：第二电容；C3：第三电容；C4：第四电容；R1：第一电阻；R2：第二电阻；R3：第三电阻；R4：第四电阻；R5：第五电阻；L1：储能电感；U1：升压芯片；VCC2：输出电源端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中心”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供一种基于超级电容的升压电路，包括供电电路、超级电容充电电路和升压电路；
所述供电电路用于常态下为升压电路供电；
所述超级电容充电电路用于在供电电路断电情况下为升压电路供电；
所述升压电路用于为电路稳压；
所述供电电路一端、超级电容充电电路的一端均与电源输入端VCC1连接，所述供电电路另一端、超级电容充电电路的另一端均与所述升压电路的一端连接，所述升压电路的另一端与电源输出端VCC2连接。
这样，根据通信单元“掉电上报”的应用要求，在通信单元电源电路中增加1个超级电容充电电路作为后备电源，并通过升压芯片U1进行稳压，当超级电容CD1放电至较低电压时，通过升压芯片U1，输出端仍能保持正常的工作电压，既为通信单元提供了后备电源，又提升了超级电容CD1的使用效率。
本发明的基于超级电容的升压电路，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述超级电容充电电路包括超级电容CD1、第一电阻R1、第二电阻R2、第二二极管D2和第三二极管D3，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2并联设置，所述超级电容CD1一端接地，所述第一电阻R1、第二电阻R2的并联连接电路一端分别与所述超级电容CD1的另一端、第二二极管D2的一端连接，所述第一电阻R1、第二电阻R2的并联连接电路另一端通过所述第三二极管D3与电源输入端VCC1连接，所述第二二极管D2的另一端分别与所述供电电路、升压电路连接。这样，超级电容充电电路工作原理为，当电源输入端VCC1供电正常时，电源输入端VCC1的电能通过第三二极管D3并经过第一电阻R1和第二电阻R2限流为超级电容CD1进行充电，当电源输入端VCC1断开供电时，储存在超级电容CD1内的电能进行释放，释放的电能通过第二二极管D2为升压电路进行供电，保证升压电路的正常工作；这里需要说明的一点是：超级电容CD1的充电时间取决于充电时间常数τ，τ＝RC，R为R1、R2并联后的阻值，C为超级电容CD1的容值，通常认为t＝3τ时，电容充满。进一步优选的技术方案是：所述第一电阻R1和第二电阻R2为0603封装相同阻值的电阻。保证每个电阻上的实际功耗不超过自身的功率限值，提高电路运行稳定性。
本发明的基于超级电容的升压电路，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：还包括并联设置的第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1与第二电容C2并联电路的一端接地，所述第一电容C1与第二电容C2并联电路的另一端与电源输入端VCC1连接。这样，第一电容C1和第二电容C2并联并且接地，接地是为了滤除干扰信号尤其是高频干扰。根据第一电容C1和第二电容C2的容值不同，大电容滤高频干扰而并小电容用于滤低频干。实现对超级电容充电电路的滤波处理。
本发明的基于超级电容的升压电路，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述升压电路包括储能模块、升压芯片U1、分压模块和第四电阻R4，所述升压芯U1通过所述第四电阻R4分别与所述供电电路、超级电容充电电路连接；
所述储能模块用于储能且为升压芯片U1供电；
所述分压模块用于对所述升压芯片U1的输出信号进行分压处理；
这样，不论通过第一二极管D1正常供电，还是通过超级电容CD1的备用电源的进行供电，电能均通过储能模块进行储能且为升压芯片U1进行供电，升压芯片U1所输出的输出信号通过第三电阻R3和第五电阻R5进行分压，得到反馈信号，通过控制反馈信号电压来调节升压芯片U1的输出电压。进一步优选的技术方案是：所述储能模块为储能电感L1。
本发明的基于超级电容的升压电路，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：还包括并联设置的第三电容C3和第四电容C4，所述第三电容C3和第四电容C4并联电路的一端接地，所述第三电容C3和第四电容C4并联电路的另一端与电源输出端VCC2连接。这样，第三电容C3和第四电容C4并联并且接地，接地是为了滤除干扰信号尤其是高频干扰。根据第三电容C3和第四电容C4的容值不同，大电容滤高频干扰而并小电容用于滤低频干扰。实现对升压电路的滤波处理。
本发明的基于超级电容的升压电路，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述分压模块包括第三电阻R3和第五电阻R5，所述第五电阻R5一端与所述电源输出端VCC2连接，所述第五电阻R5的另一端与所述升压芯片U1的反馈电压接脚(FB)连接，所述第三电阻R3的一端与升压芯片U1的电源输出端接脚(VOUT)、反馈电压接脚(FB)连接。这样，升压芯片U1的反馈电压接脚(FB)分别连接第三电阻R3和第五电阻R5，升压芯片U1的输出信号经过第三电阻R3和第五电阻R5进行分压处理病得到反馈信号，通过控制反馈信号的电压来调节升压芯片U1的输出电压。
本发明的基于超级电容的升压电路，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述升压芯片U1为六脚升压芯片U1，包括信号电源输入接脚(VCC)、功率开关输出脚(SW)、电源输出端接脚(VOUT)、反馈电压接脚(FB)、地线接脚(GND)和使能接脚(EN)，所述使能接脚(EN)与所述第四电阻R4连接，所述地线接脚(GND)接地，所述反馈电压接脚(FB)与所述第五电阻R5连接，所述电源输出端接脚(VOUT)分别与第三电阻R3、第三电容C3和第四电容C4的并联电路连接，所述信号电源输入接脚(VCC)分别与所述供电电路、超级电容充电电路及储能模块连接，所述功率开关输出脚(SW)与所述储能模块连接。
本发明的基于超级电容的升压电路，如图1所示，在前面描述的技术方案的基础上还可以是：所述供电电路包括第一二极管D1，所述第一二极管D1一端与电源输入端VCC1连接，所述第一二极管D1另一端分别与所述超级电容充电电路、升压电路连接。这样，当电源输入端VCC1正常供电时，电能通过第一二极管D1直接为升压芯片U1进行供电，升压芯片U1为通信模组供电，保证通信单元能够正常通信。
如图1所示，本发明提供一种基于超级电容的升压电路：
电路由两部分组成：第一电阻R1、第二电阻R2、超级电容CD1组成超级电容充电电路；升压芯片U1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、储能电感L1组成DC/DC升压电路。
第一电阻R1、第二电阻R2：限流电阻，超级电容CD1开始充电时，电流通常为mA级，在实际应用电路中，经过计算第一电阻R1、第二电阻R2选取0603封装相同阻值的电阻并联，保证每个电阻上的实际功耗不超过自身的功率限值。
储能电感L1，DC/DC集成IC是通过PWM控制MOS管的频繁通断来实现，MOS管导通时储能电感L1储能，在MOS管断开时电感释放能量为负载供电。
第三电阻R3、第五电阻R5：输出信号经过第三电阻R3、第五电阻R5分压后得到反馈信号，通过控制反馈信号的电压来调节升压芯片U1的输出电压。
当电表正常供电时，“VCC1”输入电源一路通过第一二极管D1直接为升压芯片U1供电，升压芯片U1输出“VCC2”为通信模组供电，保证通信单元能够正常通信。“VCC1”输入电源另一路通过第三二极管D3为超级电容CD1充电，充电时间取决于充电时间常数τ，τ＝RC，R为第一电阻R1、第二电阻R2并联后的阻值，C为超级电容CD1的容值，通常认为t＝3τ时，电容基本充满。
当电能表掉电时，“VCC1”输入电源为0V，此时超级电容CD1通过第二二极管D2为升压芯片U1供电，保证通信单元能够正常通信。升压芯片U1输入电压最低为0.9V，也就是超级电容CD1放电直至低于0.9V时，电路才停止对外供电，大幅度提升了超级电容CD1的利用率，在实际应用电路中经过计算，超级电容CD1放电利用率高于85％。
综上分析，为通信单元设计的基于超级电容CD1的升压电路，既为通信单元“掉电上报”提供了后备电源，又大幅度提高了超级电容CD1的利用率，提高了电路的性价比。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超级电容的升压电路，其特征在于：包括供电电路、超级电容充电电路和升压电路；
所述供电电路用于常态下为升压电路供电；
所述超级电容充电电路用于在供电电路断电情况下为升压电路供电；
所述供电电路一端、超级电容充电电路的一端均与电源输入端连接，所述供电电路另一端、超级电容充电电路的另一端均与所述升压电路的一端连接，所述升压电路的另一端与输出电源端连接。
2.根据权利要求1所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：所述超级电容充电电路包括超级电容、第一电阻、第二电阻、第二二极管和第三二极管，所述第一电阻与所述第二电阻并联设置，所述超级电容一端接地，所述第一电阻、第二电阻的并联连接电路一端分别与所述超级电容的另一端、第二二极管的一端连接，所述第一电阻、第二电阻的并联连接电路另一端通过所述第三二极管与电源输入端连接，所述第二二极管的另一端分别与所述供电电路、升压电路连接。
3.根据权利要求2所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：所述第一电阻和第二电阻为0603封装相同阻值的电阻。
4.根据权利要求1所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：还包括并联设置的第一电容和第二电容，所述第一电容与第二电容并联电路的一端接地，所述第一电容与第二电容并联电路的另一端与电源输入端连接。
5.根据权利要求1所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：所述升压电路包括储能模块、升压芯片、分压模块和第四电阻，所述升压芯片通过所述第四电阻分别与所述供电电路、超级电容充电电路连接；
所述储能模块用于储能且为升压芯片供电；
所述分压模块用于对所述升压芯片的输出信号进行分压处理。
6.根据权利要求5所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：还包括并联设置的第三电容和第四电容，所述第三电容和第四电容并联电路的一端接地，所述第三电容和第四电容并联电路的另一端与输出电源端连接。
7.根据权利要求6所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：所述储能模块为储能电感。
8.根据权利要求5所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：所述分压模块包括第三电阻和第五电阻，所述第五电阻一端接地，所述第五电阻的另一端与所述升压芯片的反馈电压接脚(FB)连接，所述第三电阻的两端分别与升压芯片的电源输出端接脚(VOUT)、反馈电压接脚(FB)连接。
9.根据权利要求8所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：所述升压芯片为六脚升压芯片，包括信号电源输入接脚(VCC)、功率开关输出脚(SW)、电源输出端接脚(VOUT)、反馈电压接脚(FB)、地线接脚(GND)和使能接脚(EN)，所述使能接脚(EN)与所述第四电阻连接，所述地线接脚(GND)接地，所述反馈电压接脚(FB)与所述第五电阻连接，所述电源输出端接脚(VOUT)为通信单元输出电压，所述信号电源输入接脚(VCC)分别与所述供电电路、超级电容充电电路及储能模块连接，所述功率开关输出脚(SW)与所述储能模块连接。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于超级电容的升压电路，其特征在于：所述供电电路包括第一二极管，所述第一二极管一端与电源输入端连接，所述第一二极管另一端分别与所述超级电容充电电路、升压电路连接。
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