CN203193364U - 太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源 - Google Patents

太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源 Download PDF

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张志军
曹晓京
刘龙生
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Abstract

太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，包括：由太阳能电池板组成的供电部分；由接太阳能电池板放电端的超级电容组成的储电部分；接太阳能电池板放电端，对太阳能电池板放电电压进行门限判决输出的门限电压触发部分；以及接太阳能电池板放电端，由所述门限电压触发开启的稳压部分；其中，稳压部分的输出端为电源的最终输出端，本实用新型利用超级电容作为储能部分，电气上直接和太阳能电池板相接，可以工作在0V到5.5V或更高，充分利用了超级电容的储能能力；本实用新型通过设置触发门限，在超级电容收集到足够能量后，再启动进行短时间工作，向设备输出的电流可以远大于太阳能电板的输出电流。

Description

太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源
技术领域
本实用新型属于电源技术领域，特别涉及一种太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源。
背景技术
和普通电池相比，在无线传感器领域采用太阳能电池可以大幅度延长传感器的使用寿命。但是太阳能的功率密度波动非常大，从阴天的约5千Lux，到晴天的10万Lux，所以一个在晴天正常工作的太阳能供电***在阴天无法工作。一种解决方案就是让设备在能量不足时，采用间歇的方式进行工作。在这种工作模式下，供电***用一段时间收集能量，当总能量满足要求时激活设备，设备工作一段时间后重新进入休眠。
现有设备多采用锂电池对收集的能量进行存储。然而锂电池本身具有两个显著的缺点：1.使用寿命短，一般的锂电池充放电周期为500次；2.工作温度为-20—+60°，过高或过冷环境易损耗电池甚至发生电池***。
为了保证锂电池的寿命，锂电池必须工作在一个较窄的电压范围内，比如3V到3.9V。在传统的锂电池供电***中，为了防止锂电池过充过放，需要在电路中加入锂电池保护芯片，锂电池保护芯片DW01的典型电路解决方案是：当外接电源时，该电路处于充电模式，当电池电压超过充电预设值，OC管脚将通过开关切断通路，停止充电。当无外接电源时，该电路处于放电模式，当电池电压低于放电预设值时，OD管脚将通过开关切断通路，停止放电。
二十世纪七八十年代末，发展了一种新型的储能装置——超级电容（电容值一般大于0.01F），它是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的储能器件。与锂电池不同，超级电容可以工作在一个很宽的电压范围内，比如0V到5.5V。超级电容由活性炭多孔电极和电解质组成双电层结构，依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。超级电容具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点。但如果采用传统的充电电路，超级电容的容量将得不到充分应用。
有些设备将原有电源***中的锂电池直接替换成超级电容。采用这样的替换后，设备可以正常工作，但是超级电容的容量利用率很低。这是由于锂电池和超级电容完全不同的储能曲线而造成的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，针对太阳能电板供电特性和超级电容储能特性进行联合优化，效率得到了大幅提高。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，包括：
由太阳能电池板组成的供电部分；
由接太阳能电池板放电端的超级电容组成的储电部分；
接太阳能电池板放电端，对太阳能电池板放电电压进行门限判决输出的门限电压触发部分；以及，
接太阳能电池板放电端，由所述门限电压触发开启的稳压部分；
其中，稳压部分的输出端为电源的最终输出端。
所述门限电压触发部分包括一个具有电压比较器功能的电路或芯片，其电压检测端VCC通过电阻R1接输入电压Vin，充电控制端接场效应晶体管一的栅极，放电控制端接效应晶体管二的栅极以及稳压部分的使能端，效应晶体管一的源极接地，效应晶体管二的源极回接至所述电路或芯片的VDD端，效应晶体管一的漏极与效应晶体管二的漏极相接。
所述芯片为DW01序列保护芯片。
所述门限电压触发部分接有由电阻R1和电容C1组成的电源滤波电路。
所述电阻R1的阻值为100Ω，电容C1的容值为0.1μF。
所述稳压部分采用LT1761ES5序列的LDO稳压芯片，或者TPS63060系列的DC/DC稳压芯片。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、传统的电池管理芯片根据锂电池的电气特性，将储能部分的工作电压限制在2.7V到3.7V的区间内以保护锂电池。超出电压工作范围后，储能部分会被从电路中断开。本实用新型利用超级电容作为储能部分，电气上直接和太阳能电池板相接，可以工作在0V到5.5V或更高，充分利用了超级电容的储能能力。
2、传统的稳压电源在太阳能电板的输出电流小于设备工作所需电流时无法正常工作。本实用新型通过设置触发门限，在超级电容收集到足够能量后，再启动进行短时间工作。向设备输出的电流可以远大于太阳能电板的输出电流。
附图说明
图1是本实用新型结构框图。
图2是本实用新型电压状态转换图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。
如图1所示，一种采用太阳能供电、超级电容储电、带门限电压触发的稳压电源，包括：供电部分（即太阳能电池板）、储电部分（即超级电容，接太阳能电池板放电端，由其进行充电）、门限电压触发部分以及稳压部分，其中，稳压部分的输出端为电源的最终输出端。门限电压触发部分包括一个具有电压比较器功能的电路或芯片（可采用DW01序列等锂电池保护芯片），其充电检测端CS通过电阻R2接地，充电控制端OC接场效应晶体管一的栅极，放电控制端OD接效应晶体管二的栅极以及稳压部分的使能端，效应晶体管一的源极接地，效应晶体管二的源极回接至所述电路或芯片的VDD端，效应晶体管一的漏极与效应晶体管二的漏极相接。为了防止门限电压触发部分对稳压部分的干扰，在门限电压触发部分加入了由电阻R1（电阻为100Ω左右）和电容C1（电容为0.1μF左右）组成的电源滤波电路。稳压部分可以采用LT1761ES5序列等LDO稳压芯片或者如TPS63060系列的DC/DC稳压芯片。
本实用新型首先通过太阳能电板将自然界的太阳能转化为电能，对超级电容进行充电。当电容电压达到预设启动电压时，由门限电压触发器开启稳压模块输出直流能量到用电设备。如果太阳能电池板的输出功率小于用电设备所需功率时，超级电容进入放电模式，释放其存储的电能。放电一段时间后，当超级电容两端电压低于预设截止电压时，由门限电压触发器关闭稳压模块，停止输出能量。此时电源处于间歇性工作状态。如果太阳能电池板的送出功率大于用电设备所需功率时，超级电容处于持续充电状态，门限电压触发器持续开启稳压模块，此时电源处于持续工作状态。
图2给出一段时间内***工作时的电压转换图。在0—t1时间段，太阳能电板的输出电压开始对超级电容C充电，此时稳压模块处于关断状态，输出电压Vout为0V。在t1时间，当充电电压达到启动门限电压V1时，门限电压触发部分启动稳压模块，输出电压Vout为高电平V3。如果太阳能电池板的输出功率小于用电设备所需功率时，超级电容C随即开始放电，在t2时刻，超级电容C两端的电压下降到关闭门限电压V2时，门限电压触发部分关闭稳压模块，停止输出电压，此时输出电压Vout为0V。之后供电部分又开始对超级电容C充电，在t3时刻，超级电容C两端的电压再次上升到开启门限电压V1时，门限电压触发部分启动电源模块输出电压V3，超级电容C随即又开始放电，在t4时刻，超级电容C两端的电压又下降到关闭门限电压V2时，门限电压触发部分又停止输出电压，供电部分再次对超级电容C充电，在t5时刻，超级电容C两端的电压再次上升到门限电压触发部分的过充门限电压V1时，门限电压触发部分再次输出电压V3。此后由于太阳光比较充足，太阳能电池板的送出功率大于用电设备所需功率，电容电压持续上升，电源处于持续工作状态，输出电压V3。

Claims (7)

1.太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，其特征在于，包括：
由太阳能电池板组成的供电部分；
由接太阳能电池板放电端的超级电容组成的储电部分；
接太阳能电池板放电端，对太阳能电池板放电电压进行门限判决输出的门限电压触发部分；以及，
接太阳能电池板放电端，由所述门限电压触发开启的稳压部分；
其中，稳压部分的输出端为电源的最终输出端。
2.根据权利要求1所述的太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，其特征在于，所述门限电压触发部分包括一个具有电压比较器功能的电路或芯片，其电压检测端VCC通过电阻R1接输入电压Vin，充电控制端接场效应晶体管一的栅极，放电控制端接效应晶体管二的栅极以及稳压部分的使能端，效应晶体管一的源极接地，效应晶体管二的源极回接至所述电路或芯片的VDD端，效应晶体管一的漏极与效应晶体管二的漏极相接。
3.根据权利要求2所述的太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，其特征在于，所述芯片为DW01序列保护芯片。
4.根据权利要求2所述的太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，其特征在于，所述门限电压触发部分接有由电阻R1和电容C1组成的电源滤波电路。
5.根据权利要求4所述的太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，其特征在于，所述电阻R1的阻值为100Ω，电容C1的容值为0.1μF。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，其特征在于，所述稳压部分采用LT1761ES5序列的LDO稳压芯片。
7.根据权利要求1至5任一权利要求所述的太阳能供电、超级电容储电、门限电压触发的稳压电源，其特征在于，所述稳压部分采用TPS63060系列的DC/DC稳压芯片。
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