CN113765185A - 一种用于超级电容的恒流充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于充电管理的技术领域，公开了一种用于超级电容的恒流充电电路，包括充电电源，所述充电电源通过恒流单元与超级电容连接，所述恒流单元包括连接在一起的使能触发模块和可恢复保险丝PPTC，所述超级电容的两端还并联有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测超级电容两端的电压信号，所述电压检测模块、使能触发模块、温度检测模块均与处理器连接，所述温度检测模块用于检测环境温度，所述处理器用于根据接收的环境温度和电压信号，通过使能触发模块控制可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，实施对超级电容的恒流充电。

Description

一种用于超级电容的恒流充电电路

技术领域

本发明属于充电管理的技术领域，具体涉及一种用于超级电容的恒流充电电路。

背景技术

随着超级电容的使用越来越普及，超级电容的充放电管理变得越来越重要了，特别是在汽车电子领域，对超级电容的充电电路的性能要求非常高，既要求极低的辐射和传导骚扰水平，又要求价格低、体积小，因此各种各样的新型低成本充电电路应用而生。

传统的降压型恒流充电电路基本上采用两种方式，一种是PWM控制的方式，例如BUCK,BUCK-BOOST等拓扑结构，对于小容量的超级电容的充放管理(容量小于20F的超容)而言，其辐射和传导需要花费比较高的成本才能满足汽车电子的要求，而且体积较大，不是一种理想的方案；另外一种是线性的充电电路，缺点也很明显，当超容从0V开始充电时，输入电压到输出电压的压降比较大，压降和损耗全部由线性电路承担，因此线性电路的损耗是个大问题，同时需要比较大型的散热装置，所以体积和散热成为一个问题，而且线性电路的成本会随着充电电流的上升成倍增加，无法满足客户的需求。

发明内容

本发明提供了一种用于超级电容的恒流充电电路，既可以解决电磁辐射问题，又可以减少体积，降低成本，能够很好的满足客户的需求。

本发明可通过以下技术方案实现：

高分子可恢复保险丝PPTC又经常被人们称为自恢复保险丝，由于具有独特的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件，其使用方法像普通保险丝一样，是串联在电路中使用的，当电路正常工作时，可恢复保险丝PPTC的温度与室温相近、电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因故障而出现过电流时，可恢复保险丝PPTC由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度ts时，其阻值瞬间剧增进入高阻状态，回路中的电流迅速减小到安全值。

但是可恢复保险丝PPTC的这一特性不仅仅可以作为保护器件使用，还可以用于恒流充电电路中，因此，参照附图1，本发明提供了一种用于超级电容的恒流充电电路，包括充电电源，所述充电电源通过恒流单元与超级电容连接，所述恒流单元包括连接在一起的使能触发模块和可恢复保险丝PPTC，所述超级电容的两端还并联有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测超级电容两端的电压信号，所述电压检测模块、使能触发模块、温度检测模块均与处理器连接，所述温度检测模块用于检测环境温度，所述处理器用于根据接收的环境温度和电压信号，通过使能触发模块控制对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，实现对超级电容的恒流充电。

这样，借助进入高阻状态的可恢复保险丝PPTC，可以确保整个电路中的充电电流即可恢复保险丝PPTC的维持电流保持恒定不变，具体的充电电流可以根据超级电容的要求，选择具有不同维持电流的可恢复保险丝PPTC即可，从而能够很好地实施对超级电容的恒流充电。

具体地，该使能触发模块包括串联在一起的第一、第二分压电阻，其一端与处理器连接，另一端与充电电源的负极连接，其中间节点与第二场效应管的栅极连接，所述第二场效应管的源极与充电电源的负极连接，漏极通过第三分压电阻与带体二极管的第一场效应管的栅极连接，第一场效应管的漏极与对应的可恢复保险丝PPTC连接，源极与并联在一起的缓冲电容、稳压二极管、第四分压电阻的一端连接，另一端与第一场效应管的栅极连接。

由于可恢复保险丝PPTC是一种对温度敏感的直热式、阶跃型传感器电阻，其电阻变化过程与自身的发热和散热情况有关，因而其维持电流ihold、动作电流itrip及动作时间受环境温度影响。考虑到这一情况，本发明通过并联的形式将两个恒流单元连接在一起，从而弥补环境温度变化对可恢复保险丝PPTC的影响，确保完成对超级电容整个过程的恒流充电。

具体地，所述充电电源通过并联的两个恒流单元与超级电容连接，所述处理器根据接收的电压信号，控制一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，开始对超级电容进行恒流充电，然后，判断接收的环境温度是否高于25度，若是，则控制另外一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对超级电容的恒流充电。同时，由于没有开关电源的频繁开关MOSFET的PWM信号，因此可以有效的避免Di/Dt的变化引起的电磁传导和辐射问题，同时使用了可恢复保险丝PPTC能够通过自身发热而增大阻抗的特点，不需要像线性电路一样需要解决电压差导致的功率消耗，线性电路一般需要采用大体积的散热器才能解决初始充电时由于压差大而导致的功率消耗。因此和开关电源类型的充电电路相比，解决了EMC问题，和线性电路相比解决了体积大的问题。

其恒流充电的具体过程即为该处理器根据接收的电压信号，控制一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，开始对超级电容进行恒流充电，然后，判断接收的环境温度是否高于25度，若是，则控制另外一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对超级电容的恒流充电。

为了进一步提高控制精度，我们还在整个电路中增设了电流检测模块，该充电电源依次通过电流判断模块、两个恒流单元与超级电容连接，该电流判断模块还与处理器连接，用于判断当前的充电电流是否处于规定范围内，该处理器用于接收电流判断模块的判断结果，再结合环境温度，控制另外一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对超级电容的恒流充电。

具体地，该电流检测模块包括差分放大器，该差分放大器的输出端与处理器连接，正相输入端与充电电源连接，负相输入端与开关保护单元连接，该正相输入端通过采样电阻与负相输入端连接。

经过多次试验验证，所述规定范围设置为标准充电电流的70％～130％。

本发明还提供了一种基于上文所述的用于超级电容的恒流充电电路的充电管理方法，检测待充电器件两端的电压是否低于设定值，若是，则触发一个恒流支路开始工作，然后判断环境温度是否超过25度，若是，再触发另一个恒流支路开始工作，确保完成对待充电器件的恒流充电。

进一步，若所述环境温度大于25度，则检测当前的充电电流是否处于规定范围内，若是，再触发另一个恒流支路开始工作，确保完成对待充电器件的恒流充电。

本发明有益的技术效果如下：

借助进入高阻状态的可恢复保险丝PPTC，可以确保整个电路中的充电电流即可恢复保险丝PPTC的维持电流保持恒定不变，从而能够很好地实施对超级电容的恒流充电，同时，通过并联的形式将两个可恢复保险丝PPTC连接在一起，从而弥补环境温度变化对可恢复保险丝PPTC的影响，确保完成对超级电容整个过程的恒流充电，满足客户需要。

附图说明

图1为本发明的基础的降压型恒流充电电路的结构示意图；

图2为本发明的可配置的降压型恒流充电电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施案例详细说明本发明的具体实施方式。

首先，我们介绍一下基础的降压型恒流充电电路的工作原理，其电路结构如图1所示，电阻R1、R2组成超级电容如超级电容的电压采集模块，场效应管M1、M2，稳压二极管D1，电阻R3、R4、R5、R6、缓冲电容C2组成充电电路的使能触发模块，处理器Controller用于采集外部电压、环境温度、电流等信号，做相应的逻辑控制，NTC sensor用于采集环境温度，传送到处理器controller，其工作过程如下：

首次上电后，处理器先通过分压电阻R1和R2组成的电压检测模块检测超级电容的电压，如果超级电容的电压低于设定值，如我们设定为13.5V，然后通过输出高电平，驱动分压电阻R5、R6，打开M2，稳压二极管D1用于保护场效应管M1，C2用于缓慢开启M1，从而避免开通时峰值电流过大，当M2开通后，输入电压通过分压电阻R3、R4和M2形成通路，从而打开M1，此时开始充电，当Controller检测到超容的电压达到13.5V时，关断M1,从而关断M2，停止充电。

恒流充电工作过程如下：

初始状态下，超容的电压为0V，当打开M2后，由于可恢复保险丝PPTC在没有达到触发电流时，阻抗是0.15欧姆，在这个电路中，我们选择的可恢复保险丝PPTC性能如下：

触发电流：2.5A，维持电流：0.5A，常态阻抗：0.15欧姆。

由于电容C2和R4组成的电路使得M2缓慢开通,流过M2的电流会缓慢上升，直到达到可恢复保险丝PPTC的触发电流2.5A,然后可恢复保险丝PPTC开始进入高阻状态，维持电路中流过的电流为0.5A，阻抗根据功耗自动调整，根据下面的公式：

其中，输入电压为Uin，输出电压Ucap，可恢复保险丝PPTC触发后的维持电流为I，可恢复保险丝PPTC的阻抗为Rptc。

当输入电压为13.5V，而超容两端的电压大于13.425V时，维持电流才会小于0.5A，此时可恢复保险丝PPTC退出高阻模式，恢复低阻抗模式，在此之前整个充电过程是恒流的。如果需要改变充电电流的大小，可以通过选择不同维持电流的可恢复保险丝PPTC器件来实现。

上述基础的降压型恒流充电电路结构在环境温度低于25℃时，可恢复保险丝PPTC的维持电流能保持基本恒定，但当环境温度超过25℃时，可恢复保险丝PPTC的维持电流就会下降，因此我们使用可配置的降压型恒流充电电路来保持恒流，如图2所示，即采用两路同样配置的电路通过并联方式来实现。

当NTC sensor检测到环境温度高于25℃时，反馈给处理器controller，该处理器controller同时打开M1和M3，让包含PPTC1的充电支路和包含PPTC2的充电支路同时工作，从而实现输出电流叠加，解决由于温升造成的可恢复保险丝PPTC维持电流下降的问题。

另外，我们可以增设电流检测模块，包括差分放大器，该差分放大器的输出端与处理器连接，正相输入端与充电电源连接，负相输入端与开关保护单元连接，该正相输入端通过采样电阻与负相输入端连接，这样通过采样电阻R7，检测充电电路中当前的充电电流，若当前的充电电流和标准充电电流相比下降30％时，差分放大器将反馈信号至处理器，打开包含PPTC2的充电支路，当充电电流回升到130％的时候，关闭包含PPTC2的充电支路，从而实现恒流控制。当然，也可以通过检测电流和温度的组合来进行综合诊断，从而提高控制精度。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种用于超级电容的恒流充电电路，其特征在于：包括充电电源，所述充电电源通过恒流单元与超级电容连接，所述恒流单元包括连接在一起的使能触发模块和可恢复保险丝PPTC，所述超级电容的两端还并联有电压检测模块，所述电压检测模块用于检测超级电容两端的电压信号，

所述电压检测模块、使能触发模块、温度检测模块均与处理器连接，所述温度检测模块用于检测环境温度，所述处理器用于根据接收的环境温度和电压信号，通过使能触发模块控制可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，实现对超级电容的恒流充电。

2.根据权利要求1所述的用于超级电容的恒流充电电路，其特征在于：所述使能触发模块包括串联在一起的第一、第二分压电阻，其一端与处理器连接，另一端与充电电源的负极连接，其中间节点与第二场效应管的栅极连接，所述第二场效应管的源极与充电电源的负极连接，漏极通过第三分压电阻与带体二极管的第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的漏极与可恢复保险丝PPTC连接，源极与并联在一起的缓冲电容、稳压二极管、第四分压电阻的一端连接，另一端与第一场效应管的栅极连接。

3.根据权利要求1所述的用于超级电容的恒流充电电路，其特征在于：所述充电电源通过并联的两个恒流单元与超级电容连接，所述处理器根据接收的电压信号，控制一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，开始对对超级电容进行恒流充电，然后，判断接收的环境温度是否高于25度，若是，则控制另外一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对超级电容的恒流充电。

4.根据权利要求3所述的用于超级电容的恒流充电电路，其特征在于：所述充电电源依次通过电流判断模块、并联的两个恒流单元与超级电容连接，所述电流判断模块还与处理器连接，用于判断当前的充电电流是否处于规定范围内，所述处理器用于接收电流判断模块的判断结果，再结合环境温度，控制另外一个恒流单元的使能触发模块开始工作，进而触发对应的可恢复保险丝PPTC进入高阻状态，确保完成对超级电容的恒流充电。

5.根据权利要求4所述的用于超级电容的恒流充电电路，其特征在于：所述电流检测模块包括差分放大器，所述差分放大器的输出端与处理器连接，正相输入端与充电电源连接，负相输入端与开关保护单元连接，所述正相输入端通过采样电阻与负相输入端连接。

6.根据权利要求4所述的用于超级电容的恒流充电电路，其特征在于：所述规定范围设置为标准充电电流的70％～130％。

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