一种超级电容闸机备用电源电路的制作方法

本发明涉及一种电源控制领域，尤其涉及一种超级电容闸机备用电源电路。

背景技术：

在地铁闸机倒闸过程中，即当市电突然断电时，需求切换备用电源进行供电的过程，系统需要不间断供电，闸机外部临时停电后维持系统10s以上的供电，保证系统数据正常保存和传输，供电不及时会导致系统数据存取错误，严重时影响地铁屏蔽门开关。目前地铁闸机系统双电源切换方案多采用ups电源，内部使用铅酸蓄电池进行储能备用。但铅酸蓄电池存在报废后环境不友好、使用寿命短、维护成本高的问题。且现在的备用电源电路都不存在根据备用电源的电压来自动控制备用电源充电、断开的功能。

例如，一种在中国专利文献上公开的“电源管理电路”，其公告号“cn109193925a”，包括：系统电源、储能电容、开关电路和备用电池，系统电源和储能电容并联后通过第一二极管输入到被供电目标；开关电路位于储能电容和备用电池之间，备用电池通过开关电路连接到被供电目标和第一二极管的阴极；开关电路用于当系统电源断电或储能电容达到一预设电压时切换到备用电池进行供电。该备用电源电路不能根据备用电源的电压来自动控制充电、断开，会导致使用备用电源时电压不足的问题，电压不足会导致外部设备不能正常工作。

技术实现要素：

本发明主要解决现有技术不能根据备用电源的电压自动充电，不能在电压不足时自动断开的问题；提供一种超级电容闸机备用电源电路，能够根据备用电源的电压自动充电，且在备用电源电压不足时自动断开。且为了解决原有技术备用电源环境不友好、寿命短、维护成本高的问题，提供了一种超级电容闸机备用电源电路，备用电源环境友好、寿命长且维护成本低。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明包括连接外部设备中系统电源的输入端口in、连接外部设备中负载的输出端口out和备用电源，外部设备中设置有倒闸用的开关，所述的备用电源电路还包括输入控制模块、输出控制模块和与备用电源连接的分压模块；输入端口in连接输入控制模块的输入端，输入控制模块的输出端连接备用电源的正端，备用电源的正极端连接输出控制模块的输入端，输出控制模块的输出端接输出端口out，分压模块的输出端分别与输入控制模块和输出控制模块的控制端相连接。分压模块将备用电源的电压大小输出给输入控制模块和输出控制模块，并与相对的基准电压做比较，输入控制模块和输出控制模块根据得到的备用电源电压的大小做出判断。输入控制模块控制自身的通断来控制外部电源是否给备用电源充电；输出控制模块控制自身的通断来控制备用电源是否对外供电。达到了根据备用电源的电压大小来自动控制备用电源的充电和断开，防止在使用备用电源时电压不足导致闸机数据的丢失，甚至影响地铁屏蔽门的开关，保证了备用电源的可靠性，提高了整体系统的安全性。

作为优选，所述的分压模块包括电阻r3、电阻r4、电阻r7、电阻r8、电阻r9和电压调节器，备用电源的正端连接电阻r8的第一端，电阻r8的第二端连接电阻r9的第一端，电阻r9的第二端连接备用电源的负端，电阻r9的第二端接地，电阻r8的第一端连接电阻r7的第一端，电阻r7的第二端接电阻r3的第一端，电阻r3的第二端接电阻r4的第一端，电阻r4的第二端接地；电阻r7的第二端连接电压调节器的输出端，电压调节器的输入端接地，电压调节器的参考端连接电阻r4的第一端。使用的电压调节器为tl341bc，输出的基准电压大小为5v，比较电压是备用电源电压经过分压后的电压，当备用电源电压为20v时，分压后的比较电压为5v，降压比较，使得电压在比较器的承受范围内，降低精度，比较结果不会因为细微的电网变化而发生输出的变化。提供输入控制模块和输出控制模块根据备用电源控制的基础，提高了电路的功性能，更加稳定可靠。

作为优选，所述的输入控制模块包括开关管、电阻r11、电阻r13、光耦u2和比较器u1，开关管的输入端连接输入端口in，开关管的输出端连接备用电源正端，开关管的控制端连接电阻r13的第一端，电阻r13的第二端连接输入端口in，电阻r13的第一端连接光耦u2的集电极，光耦u2的发射极接地；电阻r13的第二端接电阻r11的第一端，电阻r11的第二端接光耦u2的阳极，光耦u2的阴极接比较器u1的输出端，比较器u1的正输入端接分压模块输出的基准电压，比较器u1的负输入端接分压模块输出的比较电压。比较器u1的负输入端输入比较电压即备用电源分压后得到的对应电压，比较器u1的正输入端输入基准电压，如果比较电压大于基准电压，比较器u1输出低电平，光耦u2导通，拉低开关管控制端的电平，使得开关管导通，把并联的充电回路短路；如果比较电压小于基准电压，比较器u1输出高电平，光耦u2截止，开关管的控制端为高电平，开关管截止，外部电源从并联的充电回路给备用电源充电。达到了根据备用电源电压的大小自动控制备用电源是否充电，保证了备用电源在使用时拥有足够的电量，提高了备用电源的可靠性；采用光耦隔离抗干扰。

作为优选，所述的输出控制模块包括开关管、电阻r10、电阻r12、电阻r14、电阻r16、电阻r18、光耦u4、比较器u3和发光二极管d4；开关管的输入端连接备用电源的正端，开关管的输出端连接电阻r16的第一端，电阻r16的第二端连接输出端口out，开关管的控制端连接电阻r12的第一端，电阻r12的第二端连接备用电源的正端，电阻r12的第一端连接光耦u4的集电极，光耦u4的发射极接电阻r14的第一端，电阻r14的第二端接地；电阻r12的第二端连接电阻r10的第一端，电阻r10的第二端接光耦u4的阳极，光耦u4的阴极接比较器u3的输出端；比较器u3的正输入端连接分压模块输出的基准电压，比较器u3的负输入端连接分压模块输出的比较电压；电阻r16的第二端接电阻r18的第一端，电阻r18的第二端接发光二极管d4的阳极，发光二极管d4的阴极接地。比较器u3的负输入端输入比较电压即备用电源分压后得到的对应电压，比较器u3的正输入端输入基准电压，如果比较电压大于基准电压，比较器u1输出低电平，光耦u4导通，拉低开关管控制端的电平，使得开关管导通，备用电源正常输出给外部负载；如果比较电压小于基准电压，比较器u3输出高电平，光耦u4截止，开关管的控制端为高电平，开关管截止，备用电源断开给外部负载的输出。实现了根据备用电源电压的大小断开备用电源，在备用电源电压小于阈值的时候断开，保证了备用电源给外部的供电电压足够，闸机不会因为电量过低而导致数据丢失，地铁的屏蔽门不会因此失效。保证了备用电源的可靠性和安全性；采用光耦隔离抗干扰。

作为优选，所述的比较器u1为滞回比较器，还包括电阻r1、电阻r2和电阻r15；电阻r1的第一端连接分压模块输入的基准电压，电阻r1的第二端接比较器u1的正输入端，电阻r2的第一端接比较器u1的正输入端，电阻r2的第二端接电阻r15的第一端，电阻r11的第一端连接光耦u2的阴极，电阻r15的第二端接比较器u1的输出端。比较器为滞回比较器，使得比较输出的结果稳定，不会因为微小的电网波动使得输出值频繁变化，开关管频繁开关，有一个稳定的输出，确保了电路稳定的运行，提高了电路的稳定性。

作为优选，所述的比较器u3为滞回比较器，还包括电阻r17、电阻r19和电阻r20；电阻r19的第一端连接分压模块输入的基准电压，电阻r19的第二端接比较器u3的正输入端，电阻r20的第一端接比较器u3的正输入端，电阻r20的第二端接电阻r17的第一端，电阻r17的第一端连接光耦u4的阴极，电阻r17的第二端接比较器u3的输出端。比较器为滞回比较器，使得比较输出的结果稳定，不会因为微小的电网波动使得输出值频繁变化，开关管频繁开关，有一个稳定的输出，确保了电路稳定的运行，提高了电路的稳定性。

作为优选，所述的备用电源电路还包括限流模块，所述限流模块包括限流电阻r5和限流电阻r6，电阻r5的第一端连接电阻r6的第一端，电阻r5的第二端连接电阻r6的第二端；电阻r5的第一端连接输入端口in，电阻r5的第二端连接备用电源的正端。使用限流电阻，根据限流电阻的阻值和功率特性，能够保证在充电时，充电回路中的电流大小不会超过2a，保证备用电源在充电时的安全，不会因为电流过大而对电路中的设备造成大的冲击与损坏。

作为优选，所述的电路还包括导向元件，在输出控制模块的输入端与备用电源的正端的连接处和输入控制模块的输出端之间设置有第一导向元件，第一导向元件控制电流从输入控制模块流向备用电源；在输入端口in和输出端口out之间连接有第二导向元件，第二导向元件控制电流从输入端口in流向输出端口out；在输出控制模块的输出端和输出端口out之间设置有第三导向元件，第三导向元件控制电流从输出控制模块流向输出端口out。导向元件控制电流的流向，第二导向元件使得在不使用备用电源时，电流直接从外部设备的电源流到负载；第三导向元件在备用电源放电时，控制电流方向，使得电流从输出控制模块到输出端口out，外部电源存在使，电流不会倒灌进输出控制模块；第一导向元件在备用电源充电时控制电流从输入控制模块流到备用电源，在备用电源放电时，电流不会倒灌进输入控制模块。保证电路的安全性。

作为优选，所述的导向元件为二极管，第一导向元件为二极管d1，第二导向元件为二极管d2，第三导向元件为二极管d3，二极管d1的阳极接输入控制模块的输出端，二极管d1的阴极接输出控制模块的输入端；二极管d2的阳极接输入端口in，二极管d2的阴极接输出端口out；二极管d3的阳极接输出控制模块的输出端，二极管d3的阴极接输出端口out。使用二极管控制电流的流向，结构简单，导向效果好，保证电路的安全。

作为优选，所述的比较器u3的正输入端连接有分压电阻r21和分压电阻r22，电阻r21的第一端连接比较器u3的正输入端，电阻r21的第一端和电阻r22的第一端相连接，电阻r22的第二端接地，电阻r21的第二端连接分压模块的输出的基准电压。减小基准电压，分压后的新基准电压为3v，使得备用电源向外供电的电压范围扩大，在备用电源电压大于12v时，正常向外部负载供电，当备用电源电压低于12v时，备用电源断开。扩大了备用电源供电的电压范围，间接增加了备用电源使用的时间。

本发明的有益效果是：

1.输入控制模块根据电压的大小自动控制备用电源的充电过程，保证使用备用电源时，电量充足，提高了备用电源的可靠性。

2.输出控制模块根据在备用电源电压小于阈值时断开备用电源，使得外部设备不受低电压的影响，保证了电路的可靠性和实用性。

3.限流模块限制充电电流大小，保证了电路的安全性。

4.使用滞回比较器，比较输出不受电网波动的影响，保证电路的稳定性。

5.二极管导向流向方向，使电流只能在一个方向流，不会倒灌损坏设备。

附图说明

图1是本发明的一种电路连接图。

图中1.备用电源，2.输入控制模块，3.输出控制模块，4.分压模块，5.限流模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例的一种超级电容闸机备用电源电路，如图1所示，包括连接外部设备中系统电源的输入端口in、连接外部设备中负载的输出端口out和作为备用电源1的超级电容，外部设备中设置有倒闸用的开关，所述的备用电源电路还包括输入控制模块2、输出控制模块3、与超级电容连接的分压模块4和与输入控制模块2并联的限流模块5；输入端口in连接输入控制模块2的输入端，输入控制模块2的输出端连接超级电容的正端，超级电容的正端连接输出控制模块3的输入端，输出控制模块3的输出端接输出端口out，分压模块4的输出端分别与输入控制模块2和输出控制模块3的控制端相连接。使用超级电容，使得备用电源更加环保，对环境友好；续航能力更强，使用寿命长，维护成本低。

分压模块4包括电阻r3、电阻r4、电阻r7、电阻r8、电阻r9和电压调节器，电压调节器为tl341bc，超级电容的正端连接电阻r8的第一端，电阻r8的第二端连接电阻r9的第一端，电阻r9的第二端连接超级电容的负端，电阻r9的第二端接地，电阻r8的第一端连接电阻r7的第一端，电阻r7的第二端接电阻r3的第一端，电阻r3的第二端接电阻r4的第一端，电阻r4的第二端接地；电阻r7的第二端连接电压调节器的阴极，电压调节器的阳极接地，电压调节器的参考端连接电阻r4的第一端，电阻r9的第一端输出比较电压v1，电压调节器的阴极输出基准电压revf。使用电压调节器tl341bc，输出的基准电压大小为5v，比较电压是备用电源1电压经过分压后的电压，当备用电源电压为20v时，分压后的比较电压为5v，降压比较，使得电压在比较器的承受范围内，降低精度，比较结果不会因为细微的电网变化而发生输出的变化。提供输入控制模块和输出控制模块根据备用电源控制的基础，提高了电路的功性能，更加稳定可靠。

输入控制模块2包括带寄生二极管的p沟道mos管q2、电阻r11、电阻r13、光耦u2和比较器u1，mos管q2的源极连接输入端口in，mos管q2的漏极连接超级电容正端，mos管q2的栅极连接电阻r13的第一端，电阻r13的第二端连接输入端口in，电阻r13的第一端连接光耦u2的集电极，光耦u2的发射极接地；电阻r13的第二端接电阻r11的第一端，电阻r11的第二端接光耦u2的阳极，光耦u2的阴极接比较器u1的输出端，比较器u1的正输入端接分压模块4输出的基准电压revf，比较器u1的负输入端接分压模块输出的比较电压v1。比较器u1还可以是滞回比较器，周围电阻包括r1、电阻r2和电阻r15，电阻r1的第一端连接分压模块4输入的基准电压revf，电阻r1的第二端接比较器u1的正输入端，电阻r2的第一端接比较器u1的正输入端，电阻r2的第二端接电阻r15的第一端，电阻r15的第二端接比较器u1的输出端。

比较器u1的负输入端输入比较电压v1即备用电源1分压后得到的对应电压，比较器u1的正输入端输入基准电压revf，如果比较电压v1大于基准电压revf，比较器u1输出低电平，光耦u2导通，拉低开mos管q2栅极的电平，使得mos管q2导通，把并联的限流模块5短路；如果比较电压v1小于基准电压revf，比较器u1输出高电平，光耦u2截止，mos管q2的栅极为高电平，mos管q2截止，外部电源从并联的限流模块5给备用电源1充电。达到了根据备用电源1电压的大小自动控制备用电源1是否充电，保证了备用电源1在使用时拥有足够的电量，提高了备用电源1的可靠性。采用光耦隔离抗干扰。比较电路采用滞回比较电路，比较器u1的输出不会受电网电压微小的波动的影响，保证电压在靠近阈值时，输出的电平不会频繁波动，提高了电路的可靠性。

输出控制模块3包括带寄生二极管的p沟道mos管q1、电阻r10、电阻r12、电阻r14、电阻r16、电阻r18、光耦u4、比较器u3和发光二极管d4；mos管q1的源极连接超级电容的正端，mos管q1的漏极连接电阻r16的第一端，电阻r16的第二端连接输出端口out，mos管q1的栅极连接电阻r12的第一端，电阻r12的第二端连接超级电容的正端，电阻r12的第一端连接光耦u4的集电极，光耦u4的发射极接电阻r14的第一端，电阻r14的第二端接地；电阻r12的第二端连接电阻r10的第一端，电阻r10的第二端接光耦u4的阳极，光耦u4的阴极接比较器u3的输出端；比较器u3的正输入端连接分压模块4输出的基准电压revf，比较器u3的负输入端连接分压模块4输出的比较电压v1；电阻r16的第二端接电阻r18的第一端，电阻r18的第二端接发光二极管d4的阳极，发光二极管d4的阴极接地。比较器u3还可以为滞回比较器，周围电阻包括电阻r17、电阻r19和电阻r20，电阻r19的第一端连接分压模块4输入的基准电压revf，电阻r19的第二端接比较器u3的正输入端，电阻r20的第一端接比较器u3的正输入端，电阻r20的第二端接电阻r17的第一端，电阻r17的第二端接比较器u3的输出端。电阻r19的第一端还可以连接有分压电阻r21和分压电阻r22，电阻r21的第一端连接比较器u3的正输入端，电阻r21的第一端和电阻r22的第一端相连接，电阻r22的第二端接地，电阻r21的第二端连接分压模块4的输出的基准电压revf。

比较器u3的负输入端输入比较电压v1即备用电源1分压后得到的对应电压，比较器u3的正输入端输入基准电压revf，如果比较电压v1大于基准电压revf，比较器u1输出低电平，光耦u4导通，拉低mos管q1栅极的电平，使得mos管q1导通，备用电源1正常输出给外部负载；如果比较电压v1小于基准电压revf，比较器u3输出高电平，光耦u4截止，mos管q1的栅极为高电平，mos管q1截止，备用电源1断开给外部负载的输出。实现了根据备用电源电压1的大小断开备用电源1，在备用电源1电压小于阈值的时候断开，保证了备用电源1给外部的供电电压足够，闸机不会因为电量过低而导致数据丢失，地铁的屏蔽门不会因此失效。保证了备用电源的可靠性和安全性。采用光耦隔离抗干扰。比较电路采用滞回比较电路，比较器u3的输出不会受电网电压微小的波动的影响，保证电压在靠近阈值时，输出的电平不会频繁波动，提高了电路的可靠性。将分压模块4输出的基准电压revf经过分压电阻r21和r22的分压，减小基准电压，分压后的新基准电压为3v，使得备用电源向外供电的电压范围扩大，在备用电源电压大于12v时，正常向外部负载供电，当备用电源电压低于12v时，备用电源断开。扩大了备用电源供电的电压范围，间接增加了备用电源使用的时间。

限流模块5包括限流电阻r5和限流电阻r6，电阻r5的第一端连接电阻r6的第一端，电阻r5的第二端连接电阻r6的第二端；电阻r5的第一端连接输入端口in，电阻r5的第二端连接超级电容的正端。使用限流电阻，根据限流电阻的阻值和功率特性，能够保证在充电时，充电回路中的电流大小不会超过2a，保证备用电源在充电时的安全，不会因为电流过大而对电路中的设备造成大的冲击与损坏。

在输出控制模块3的输入端与超级电容的正端的连接处和输入控制模块2的输出端之间设置有二极管d1，二极管d1的阳极接输入控制模块2的输出端，二极管d1的阴极接输出控制模块3的输入端，二极管d1控制电流从输入控制模块2流向超级电容；在输入端口in和输出端口out之间连接有二极管d2，二极管d2的阳极接输入端口in，二极管d2的阴极接输出端口out，二极管d2控制电流从输入端口in流向输出端口out；在输出控制模块3的输出端和输出端口out之间设置有二极管d3，二极管d3的阳极接输出控制模块3的输出端，二极管d3的阴极接输出端口out，二极管d3控制电流从输出控制模块流向输出端口out。

导向元件二极管控制电流的流向，使用二极管控制电流的流向，结构简单，导向效果好。二极管d2使得在不使用备用电源1时，电流直接从外部设备的电源流到负载；二极管d3在备用电源1放电时，控制电流方向，使得电流从输出控制模块3到输出端口out，外部电源存在使，电流不会倒灌进输出控制模块3；二极管d1在备用电源1充电时控制电流从输入控制模块2流到备用电源1，在备用电源1放电时，电流不会倒灌进输入控制模块2保证电路的安全性。

当外部设备由外部电源供电时，电流从外部电源流出，从输入端口in流经二极管d2，直接从输出端口out流出，为外部设备供电。

当超级电容即备用电源1电压低于20v时，经过电源调节器tl431bc输出基准电压5v到比较器u1的正输入端，此时超级电容的电压经过电阻r8和电阻r9分压，输出的比较电压大小小于5v，输入到滞回比较器u1的负输入端中，比较器u1输出高电平，光耦u2截止，mos管q2截止，外部电源经过并联的限流模块5给超级电容充电，充电电流不大于2a。一般超级电容的满容量为24v，当超级电容的电压大于20v时，比较器u1输出低电平，光耦u2导通，mos管q2导通，把并联的限流模块5短路，超级电容电量充满，达到保压，不会再继续通过mos管q2充电。

当超级电容即备用电源1电压低于12v时，经过电源调节器tl431bc输出基准电压5v经过电阻r21和电阻r22的分压，成为新的3v的基准电压输入到比较器u3的正输入端，此时超级电容的电压经过电阻r8和电阻r9分压，输出的比较电压大小小于3v，输入到滞回比较器u3的负输入端中，比较器u3输出高电平，光耦u4截止，mos管q1截止，超级电容断开对外部设备的供电；当超级电容的电压大于12v时，比较器u3输出低电平，光耦u4导通，mos管q1导通，发光二极管d4亮，超级电容为外部设备供电。

本发明使用的输入控制模块根据电压的大小自动控制备用电源的充电过程，保证使用备用电源时，电量充足；输出控制模块根据在备用电源电压小于阈值时断开备用电源，使得外部设备不受低电压的影响，保证了电路的可靠性和实用性。限流模块限制充电电流大小，保证了电路的安全性。使用滞回比较器，比较输出不受电网波动的影响，保证电路的稳定性。二极管导向流向方向，使电流只能在一个方向流，不会倒灌损坏设备。使用超级电容，环保，续航能力强，使用寿命长，维护成本低。