一种超级电容大电流充放电电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种超级电容大电流充放电电路，包括两组充电管理电路和两组超级电容组，其中，第一充电管理电路与第一超级电容组连接，第一超级电容组与电流平衡电路相连接；第二充电管理电路与第二超级电容组连接，第二超级电容组与电流平衡电路相连接；电流平衡电路与负载相连接。本实用新型通过第一充电管理电路和第一超级电容组，第二充电管理电路和第二超级电容组形成两套功能协调工作，能够满足大电流使用的场合，再通过电流平衡电路可有效平衡放电时两套功能系统的电压差，本实用新型电路不仅提高充电电流，而且通过增加供能储能电路，间接倍增了充电电流，也就提高了供能效率，组合电路实现了更大电流充放电。
【专利说明】—种超级电容大电流充放电电路
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及电子电路领域，具体涉及一种超级电容大电流充放电电路。
【背景技术】
[0002]在电子产品中，常常会使用超级电容组进行储能，为后级供电的情况，超级电容的优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，这些特性使得超级电容非常适合于需要快速提供大功率输出的场合。超级电容已经广泛应用于汽车电子、绿色新电源、航空等多种领域，其在实际应用中的可靠性得到了验证。成功的案例包括上海推出的超级电容公交车，采用超级电容作为动力来源；Airbus空中客车公司在A380上采用了 100F的超级电容为登机门、应急门提供动力。
[0003]在常见的电路设计中，基本都采用充电管理电路对超级电容充电，负载需要供能时由超级电容放电来实现，供能的因素涉及到负载需求能量的周期、每周期需求能量多少、每周期充入的能量以及高温等恶劣环境下的充放电效率等。
[0004]其中超级电容组中的超级电容可通过并联实现容量的扩展，也可以通过串联实现电压的升高(普通的超级电容满电电压为2.7V)，数量越多，容量越大，可存储的能量也越多，在后段单位时间需求能量较多的情况下，提高存储容量更能满足能量需求，但也同时对单位时间充入的能量也提出了相应要求，即对充放电电能力的要求。
[0005]在超级电容通常应用情况下，充放电周期都较长，从几秒到到数分钟数小时不等，如上面提到的“Airbus空中客车公司在A380上采用了 100F的超级电容为登机门、应急门提供动力”案例，案例中登机门与应急门的开启关闭频率较低，有充足的时间进行超级电容充电动作，并且使用次数较少，超级电容采用容量冗余设计后，一次充电甚至可进行多次开关们动作。
[0006]但是，在一些特殊场合，例如本文中要介绍的与卫星通信的天线部分的供能场合，此天线是用于北斗手持型用户机的外置天线，承担了手持机与北斗卫星通信实现信息交互的重要功能，并且对发射持续时间以及发射周期提出了明确要求，即对超级电容部分的单位时间内供能以及充放电时间提出了挑战。
[0007]在此天线中，要求超级电容在I秒频度下，其中300mS输出功率为29.7W，剩余700mS为发射间隙，用于充电管理电路对超级电容组进行充能。且由于此天线能量供应紧张的背景下，就对能量传递的效率提出了要求。在此关于超级电容组的能量选择，作个简单说明:通过计算可知，在发射时超级电容需要能够输出7A的电流。由于采用2个2并2串超级电容组并联，减少电流的压力，将每组电流压力降到3.5A，即分配到每个电容单体的脉冲电流为1.75A，远远小于一般超级电容的瞬冲电流指标(此1F超级电容脉冲电流可以达到5.87A)，故，只要所选超级电容组大于10F，则可满足放电能量需求。故对充放电能力要求与超级电容组容量并无直接关联。
[0008]综上，充电电流需达到2.4A才能满足供能需求，在此就需要一种大电流充电电路来满足后段能量需求，市面上普通的高效充电管理IC很难达到此大电流，如较突出的凌特的LC4425，在LDO模式工作时效率最高，但最大充电电流不大于2A，无法满足要求。
实用新型内容
[0009]为克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供能够很好的实现大电流充放电的一种超级电容大电流充放电电路。
[0010]为实现上述目的，本实用新型的技术方案是:一种超级电容大电流充放电电路，包括两组充电管理电路和两组超级电容组，其中，第一充电管理电路与第一超级电容组连接，第一超级电容组与电流平衡电路相连接；第二充电管理电路与第二超级电容组连接，第二超级电容组与电流平衡电路相连接；电流平衡电路与负载相连接。
[0011]本实用新型采用上述技术方案的有益效果是:本实用新型通过第一充电管理电路和第一超级电容组，第二充电管理电路和第二超级电容组形成两套功能协调工作，能够满足大电流使用的场合，再通过电流平衡电路可有效平衡放电时两套功能系统的电压差，本实用性电路并非单纯提高充电电流，而是通过增加供能储能电路，间接倍增了充电电流，也就提高了供能效率，组合电路实现了更大电流充放电。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本实用新型的电路工作方式结构示意图。
[0013]图2为本实用新型第一充电管理电路及第一超级电容组电路图。
[0014]图3为本实用新型第二充电管理电路及第二超级电容组电路图。
[0015]图4为本实用新型放电电流平衡电路图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但不构成对本实用新型的任何限制。
[0017]如图2所示，所述第一充电管理电路主要由第五芯片，第十九电阻，第二十一电阻，第二十五电阻，第三十四电阻，第三十一电容，第二十电阻，第二十六电阻，第三十五电阻组成；所述第一超级电容组主要由第三十五超级电容，第三十六超级电容，第四十超级电容，第四i^一超级电容组成；电源通过网络“VCharge_4.3V”与第五芯片的第11脚和第12脚相连接，同时通过第十九电阻与第五芯片的第9脚相连接，第9脚通过第二十一电阻与第7脚连接，第3脚与第三十四电阻相连接，第五芯片的第I脚与第2脚相连后与第一超级电容组的第三十五超级电容及第三十六超级电容相连接，同时连接到第二十六电阻，所述第二十六电阻另一端与第五芯片的第5脚相连接，同时与第三十五电阻相连接，第五芯片的第10脚与第一超级电容组的第四十超级电容及第四i^一超级电容相连接，第一超级电容组中第三十五超级电容与第四十超级电容串联，第三十六超级电容与第四十一超级电容串联，两两串联后再并联连接。
[0018]如图3所示，第二充电管理电路与第一充电管理电路结构组成相同、电路连接关系相同，第二超级电容组与第一超级电容组结构组成相同、电路连接关系相同。
[0019]如图4所示，所述电流平衡电路主要由第九芯片、第六MOS管、第九MOS管、第四十五电阻、第四十六电阻、第四十七电阻、第四十八电阻、第四十九电阻组成。第一超级电容组的供电与第九芯片的第13脚相连接，第二超级电容组的供电与第九芯片的第4脚相连接，第九芯片的第12脚与第六MOS管相连接，第九芯片的第5脚与第九MOS管相连接，第六MOS管的D脚与第九芯片的第10脚相连接，再与第四十五电阻相连接，第九MOS管的D脚与第九芯片的第7脚相连接，再与第四十六电阻相连接，第四十五电阻与第四十六电阻相连接后，再与T23相连接，第九芯片的第16脚与第四十八电阻相连接，第九芯片的第I脚与第四十九电阻相连接，第九芯片的第14脚与第四十七电阻相连接，第九芯片的第15脚及第17脚共同连接到电网络。
[0020]在上述电路中，由于高温条件下单体超级电容满电电压仅能到达2.1V，故对电容组设定充电输出电压在4.25V，通过R36，R35以及R38，R36来分别设置。且考虑到需要让LT4425工作在LDO模式，输入电压需高于输出电压，故输入电压设定在4.3V。
[0021]上图中的两路能量存储电路中，每路最大充电电流可达2A，按照要求每路需求
1.2A即可，所以可采取冗余设计，给系统留出足够的冗余时间，保证稳定工作。在此每路通过R34，R37电阻值来设定充电电流，均设定为1.22A。也能保证产生较少热量耗散，提高传递效率。
[0022]在此需要电流平衡的功能，有两种选择:一种是直接采用LTC4370自动完成平衡控制，外围自由选择Rds(ON)较小的MOS管即可；另一种是采用逻辑控制MOS管，也能实现平衡。第一种集成度高，精度好，静态功耗小，成本较高；第二种需要逻辑控制电路，在外置天线中较难实现，且精度难控制，成本较低。综合选择，我们选取第一种方案。LTC4370能在0V—VDD电压范围，检测两端供电情况，动态控制MOS管上压差，实现电流上的平衡输出。
[0023]此电流平衡电路LTC4370，主要是针对于防止两组超级电容组同时对后段放电不平衡而选择的。在两组超级电容组同时对后段升压电路放电时，由于充放电状态差异，总会出现两组超级电容组电压不平衡的情况，继而导致放电电流不能平衡，甚至会影响到两组电容组的电压，故需要在放电时对放电电流进行平衡，尽量调节减少两组电容组的压差，便于充放电管理。
[0024]外围电路设定如下:
[0025]1、VCC脚可配置IC工作的电压范围，若VCC接0.1uF电容到地，则默认为芯片工作电压2.9V—6V ；VCC接一个电压VDD则设定芯片工作电压为OVVDD ;由于超级电容组可能会出现低于2.9V的情况，故在此选择OV — VDD电压范围。
[0026]2、C0MP脚外接到地电容的容值选择，规格书推荐容值为50*Ciss，由MOS管规格书得知Ciss = 1020pF，可得知容值应为0.05uF,在此选择0.1uF。
[0027]3,Vinl, Vin2外接到地电容容值规格书推荐为10*Ciss，计算得知为10.2nF,在此选择15nF。
[0028]4, Range脚外接电阻到地，用于设置调节MOS管上压差的范围，可通过公式
[0029]VFE(MAX) = 10 μ A.ReAnge+Vfe(Min)计算得知，选取 30.1K 电阻，VFK_ =10uA*30.1K Ω+3.5Α*4.4mΩ = 316.4mV,表示设置的压差最大调节范围为316.4mV。
[0030]上述电路有效解决了为了增大供能需求而增加供能通路的情况下，放电时的平衡问题。
[0031]本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。
【权利要求】
1.一种超级电容大电流充放电电路，其特征在于:包括两组充电管理电路和两组超级电容组，其中，第一充电管理电路与第一超级电容组连接，第一超级电容组与电流平衡电路相连接；第二充电管理电路与第二超级电容组连接，第二超级电容组与电流平衡电路相连接；电流平衡电路与负载相连接。
【文档编号】H02J7/00GK204144972SQ201420116683
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】张建, 陈根潮, 张育民 申请人:湖南芯丰微电子有限责任公司