CN221202205U - 一种法拉电容的充放电电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种法拉电容的充放电电路，包括：直流电源、法拉电容和负载，其中NMOS管连接在所述直流电源与所述法拉电容之间，所述NMOS管的漏极与所述直流电源连接，源极与所述法拉电容的正极连接；所述负载连接在所述直流电源与所述NMOS管之间；所述充放电电路还包括并联在所述NMOS管两端的分压电阻，所述分压电阻的一端连接所述直流电源、所述负载以及所述NMOS管的漏极之间的第一连接点，另一端连接所述NMOS管的源极和所述法拉电容的正极之间的第二连接点。通过本申请的技术方案，能够简化法拉电容的充放电电路并提高其充电效率。

Description

一种法拉电容的充放电电路

技术领域

本申请一般地涉及电路技术领域，尤其涉及一种法拉电容的充放电电路。

背景技术

人们在日常工作与生活中经常会使用各种电动器具，传统的电动器具使用的能源大体有二种，交流电源与蓄电池电源。交流电源使用最普遍，它的优势是电压稳定并可连续使用，但也存在不足，一是使用场所必需有就近的交流电源，二是电动器具拖有一根电源线，在有些环境中使用不便，并存有一定的触电安全隐患。使用蓄电池电源可以克服交流电源的上述不足，但蓄电池必需在使用前充足电，并且充电时间较长，一般都需数小时，给使用带来不便。因此近来市场出现用法拉电容作为能源的电动器具，法拉电容是一种电容量较大的电容，充电后能储蓄一定的电能，其特点是：1、可以用较大的电流对之充电，因此充电时间短，一般只需几十秒即可完成充电，克服了蓄电池电源充电时间较长的缺撼；2、特别环保，从制造过程到废弃物都无污染；3、使用寿命长，电容的充放电次数可达数十万次，而蓄电池的充放电次数仅有数百次。如何对法拉电容充电是一项全新的重要技术，法拉电容与传统的电解电容有较大的区别，虽然法拉电容的电容量较大，但其单个电容额定电压值较低，一般只有2.5～2.7V，大多需多个串联使用，以提高工作电压；另外法拉电容在制造时本身不可避免存在容量、内阻等方面的差异，在使用过程中这种容量差异会变得更大；在串联充电时容量小的法拉电容先充满，如果继续充电，该法拉电容将出现过充现象，并击穿法拉电容使之失效。

为了克服法拉电容过充的现象，常规充电方法是将电源电压通过DC-DC降压电路降到与法拉电容截止电压相同，达到截止电压时停止充电。或者通过恒流电路使用恒流方法充电，并通过检测电容电压，达到截止电压时停止充电。由于引入降压电路或恒流电路，增加了电路复杂性，并且充电电流受降压电路以及恒流电路限制，延长了法拉电容充电时间，导致其充电效率降低。

发明内容

为了解决本申请的上述技术问题，本申请提供了一种法拉电容的充放电电路，以简化法拉电容的充放电电路并提高其充电效率。

本申请提供了一种法拉电容的充放电电路，包括：直流电源、法拉电容和负载，其中NMOS管连接在所述直流电源与所述法拉电容之间，所述NMOS管的漏极与所述直流电源连接，源极与所述法拉电容的正极连接；所述负载连接在所述直流电源与所述NMOS管之间；所述充放电电路还包括并联在所述NMOS管两端的分压电阻，所述分压电阻的一端连接所述直流电源、所述负载以及所述NMOS管的漏极之间的第一连接点，另一端连接所述NMOS管的源极和所述法拉电容的正极之间的第二连接点。

在一个实施例中，所述分压电阻包括串联的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端连接所述第一连接点，所述第二分压电阻的一端连接所述第二连接点，所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端的第三连接点连接所述NMOS管的栅极。

在一个实施例中，所述充放电电路还包括连接在所述直流电源与所述NMOS管之间的限流电阻。

在一个实施例中，所述充放电电路还包括并联在所述第二分压电阻两端的第一稳压二级管。

在一个实施例中，所述充放电电路还包括并联在所述第二连接点与所述法拉电容的负极之间的第二稳压二级管。

在一个实施例中，所述充放电电路还包括辅助电源，所述辅助电源连接在所述第二连接点。

本申请的技术方案具有以下有益技术效果：

本申请的法拉电容的充放电电路利用NMOS管的特性通过NMOS管为法拉电容充电和停止充电，通过将NMOS管的源极与法拉电容连接，当NMOS管的栅极与源极电压差大于NMOS管栅极门限电压时，NMOS管导通，为法拉电容充电；当法拉电容逐渐充电，电容电压逐渐增大，直到达到法拉电容截止电压时，NMOS管的栅极与源极电压差等于小于NMOS管栅极门限电压，停止为法拉电容充电。由于无需引入降压电路或恒流电路，元件数量少，省去了降压、恒流、电压检测等元器件，简化了电路结构，降低了电路成本，并且不受降压电路或恒流电路限制，可以大电流充电，不需要扩流，缩短了法拉电容的充电时间，提高了充电速度，提高了其充电效率。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本申请示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本申请的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是根据本申请实施例的法拉电容的充放电电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应当理解，当本申请的权利要求、说明书及附图使用术语“第一”、“第二”等时，其仅是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

本申请提供了一种法拉电容的充放电电路，用于法拉电容的充放电。所述法拉电容可以是多个法拉电容串联形成的法拉电容组。

图1是根据本申请实施例的法拉电容的充放电电路的电路原理图。如图1所示，所述充放电电路包括：直流电源、法拉电容和负载。直流电源连接在连接件J1上，法拉电容连接在连接件J2上，负载连接在接头VCC_IN上，以便为负载供电。NMOS管Q1连接在直流电源与法拉电容之间，NMOS管Q1的漏极与直流电源连接，源极与法拉电容的正极连接。负载连接在直流电源与NMOS管Q1之间。

所述充放电电路还包括并联在NMOS管两端的分压电阻，分压电阻的一端连接直流电源、负载以及NMOS管Q1的漏极之间的第一连接点，另一端连接NMOS管Q1的源极和法拉电容的正极之间的第二连接点。在图1所示实施例中，所述分压电阻包括串联的第一分压电阻R2和第二分压电阻R3，第一分压电阻R2的一端连接所述第一连接点，第二分压电阻R3的一端连接所述第二连接点，第一分压电阻R2的另一端和第二分压电阻R3的另一端的第三连接点连接NMOS管Q1的栅极。

可选地，如图1所示，所述充放电电路还包括连接在直流电源与NMOS管Q1之间的限流电阻R1，以防止通过NMOS管Q1的电流过大，起到保护NMOS管Q1的作用。

可选地，如图1所示，所述充放电电路还包括并联在第二分压电阻R3两端的第一稳压二级管D1。第一稳压二级管D1在电压过高反向击穿后，端电压在一定范围内保持不变，从而防止NMOS管Q1的栅极电压过高。

可选地，如图1所示，所述充放电电路还包括并联在第二连接点与法拉电容的负极之间的第二稳压二级管D2。第二稳压二级管D2用于防止法拉电容的正极板电压过高。

可选地，所述充放电电路还包括辅助电源，所述辅助电源连接在所述第二连接点，用于负载的辅助供电，例如，辅助电源可以为电池。

在上述充放电电路中，NMOS管的导通需要栅极与源极电压差大于栅极门限电压V_GS，低于V_GS时漏极与源极截止。在法拉电容的充电过程中，当J1正常通电时，直流电源为负载供电，并同时为法拉电容充电。由于电容特性，法拉电容的电压不能突变，而只能缓慢上升。当法拉电容的电压达到充电截止电压后，法拉电容充满电。图1中分压电阻R2、R3串联分压，设置其合适的阻值，使充电结束时满足：

V2-V1＝V_GS

其中V2为法拉电容充满电时R2、R3的串联分压值，V1为法拉电容的充电截止电压，V_GS为NMOS管的栅极门限电压。

法拉电容最大充电电压为V1＝V0-V_GS，其中V0为电源电压。

作为一个示例，当电源电压V0＝24V，电容充电截止电压V1＝18V，N_MOS管栅极门限电压V_GS＝4V时(V_GS不超过20V)，计算R2、R3电阻：

充电截止时，令V2-V1＝V_GS＝4V，列式如下：

V2-V1＝(V0-V1)*R3/(R2+R3)

＝(24-18)*R3/(R2+R3)＝4V

可得到电阻比值：R2/R3＝1/2。

为减少稳压管功率及电路功耗取R2＝11kΩ，R3＝22kΩ。

将R2、R3阻值代入式子，假设法拉电容初始为0V电压，充电开始时有：

V2-V1＝(V0-V1)*R3/(R2+R3)

＝(24-0)*R3/(R2+R3)＝16V

高于门限电压V_GS，N_MOS管导通。且小于20V(当V2-V1接近或超出20V时，应增加稳压管D1，限制栅极源极电压差)。

当法拉电容充满电后，NMOS管栅极与源极电压差小于V_GS，NMOS管Q1截止，同时由于分压电阻R2、R3很大，其所在支路电流极小，因此法拉电容结束充电。此外，第二稳压二级管D2也防止法拉电容的电压继续增大，从而保护法拉电容不会因过压而损坏。

在法拉电容的放电过程中，当直流电源失电时，V1大于V0时，NMOS管Q1截止，法拉电容放电，通过电阻R2和R3支路为负载提供后备供电。

以上通过具体实施例介绍了本申请的法拉电容的充放电电路的具体结构和技术原理。通过本申请提供的技术方案，可以简化法拉电容的充放电电路并提高其充电效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种法拉电容的充放电电路，其特征在于，包括：直流电源、法拉电容和负载，其中NMOS管连接在所述直流电源与所述法拉电容之间，所述NMOS管的漏极与所述直流电源连接，源极与所述法拉电容的正极连接；所述负载连接在所述直流电源与所述NMOS管之间；

所述充放电电路还包括并联在所述NMOS管两端的分压电阻，所述分压电阻的一端连接所述直流电源、所述负载以及所述NMOS管的漏极之间的第一连接点，另一端连接所述NMOS管的源极和所述法拉电容的正极之间的第二连接点。

2.根据权利要求1所述的法拉电容的充放电电路，其特征在于，所述分压电阻包括串联的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的一端连接所述第一连接点，所述第二分压电阻的一端连接所述第二连接点，所述第一分压电阻的另一端和所述第二分压电阻的另一端的第三连接点连接所述NMOS管的栅极。

3.根据权利要求2所述的法拉电容的充放电电路，其特征在于，所述充放电电路还包括连接在所述直流电源与所述NMOS管之间的限流电阻。

4.根据权利要求3所述的法拉电容的充放电电路，其特征在于，所述充放电电路还包括并联在所述第二分压电阻两端的第一稳压二级管。

5.根据权利要求4所述的法拉电容的充放电电路，其特征在于，所述充放电电路还包括并联在所述第二连接点与所述法拉电容的负极之间的第二稳压二级管。

6.根据权利要求5所述的法拉电容的充放电电路，其特征在于，所述充放电电路还包括辅助电源，所述辅助电源连接在所述第二连接点。