一种电压自跟随防反灌电路的制作方法

本发明涉及仪器仪表、智能配网技术领域，尤其涉及一种电压自跟随防反灌电路。

背景技术：

在对电池或超级电容模组进行充电恒流充电过程中，若恒流dc/dc芯片输入端掉电，而此时输出端存在较高电压，会使得恒流dc/dc芯片输出对输入存在较高的漏电流，该漏电流轻则会导致该恒流dc/dc芯片不能正常工作，如打嗝式反复启动、输入与输出直通等，严重的可能导致恒流dc/dc芯片异常高温、芯片烧毁，甚至电池或超级电容模组瞬间短路而发生爆炸。因此必须在恒流充电dc/dc芯片与电池或超级电容模组之间设置防反灌电路来解决上述问题。目前广泛采用的方案是采用漏电流较小的二极管来作为防反灌电路。这种方案中，由于二极管管压降会随着电流大小的改变而改变，导致电池或超级电容模组最终充电截止电压的不确定，无法实现实际达到的充电电压与设计充电电压完全一致。

在对电池或超级电容模组进行升压放电过程中，若升压dc/dc芯片输入端无电而输出端存在较高电压时，会使得升压dc/dc芯片输出对输入存在较高的漏电流，该漏电流同样会导致升压dc/dc工作异常，轻则导致芯片打嗝式反复启动或者输入与输出直通，重则导致芯片异常升温、烧毁甚至电池或超级电容模组瞬间短路而爆炸。因此必须在升压放电dc/dc与系统供电之间增加防反灌电路。目前，广泛采用的方案是采用漏电流较小的二极管来作为防反灌电路。这种方案中，由于二极管管压降会随着电流大小的改变而改变，导致升压后的电压不确定，无法实现实际达到的升压电压与设计电压完全一致。

申请公布号为cn108565961a的中国发明申请公开了一种具有防反灌供电自动切换无压损输出电路，包括第一供电端、第二供电端、供电设备以及供电自动切换无压损输出电路；所述供电自动切换无压损输出电路包括降压器u2、场效应管q1、q2以及q3；第一供电端的正极与u2的输入端连接，u2的电压输出端分别与供电设备连接、与q1的漏极连接，u2的接地端与q3的漏极连接，q3的源极接地；q3的栅极分别与q1的栅极、q2的栅极连接，q1的源极与q2的源极连接，q2的漏极与第二供电端正极连接；第一供电端、第二供电端的负极均接地。该电路在供电切换时使输出电压具有连续性保证设备工作稳定，且可防止电流之间反灌造成损耗和器件的损坏，使输出电压更稳定。该电路用两个mos管实现防反灌以及防反灌电路两端电压相等，但是由于两个mos管组合体要求绑在一起的栅极电平必须为某个确定的电平状态，不允许持续变化。若防反灌电路两端电压持续变化时，该电路则无法工作。而在恒流充电过程中，恒流dc/dc芯片的输出电压随着电池或超级电容模组电压的持续升高而升高，所以该电路无法实现恒流充电过程的防反灌和无压损功能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种在对电池或超级电容模组恒流充电和升压放电过程中既防止漏电流超标导致反灌又能做到恒流充电截止电压和升压放电电压精确可控的电压自跟随防反灌电路。

为解决上述技术问题，本发明提供可在对电池或超级电容模组恒流充电电路和升压放电电路中使用的电压自跟随防反灌电路，其特征在于：

包括n个二极管、一个pmos管、一个电阻；所述电压自跟随防反灌电路的电压输入端连接所述n个二极管的阳极以及所述pmos管的漏极，所述电压自跟随防反灌电路的电压输出端连接所述n个二极管的阴极以及所述pmos管的源极，所述pmos管的栅极连接外部控制信号输入端，所述外部控制信号输入端能够输出高低电平控制pmos管的开断；所述电阻一端连接所述pmos管源极，另一端连接所述pmos管的栅极；所述n个二极管的数量n取大于0的整数。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路还包括控制电路，所述控制电路包括一个可控开关元件、一个电阻；所述可控开关元件的控制端通过所述电阻接外部控制信号，所述可控开关元件的开关一端连接所述pmos管的栅极，另一端接地。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述二极管是漏电流为微安级的二极管。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述二极管为es1d二极管。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述n个二极管的数量n取大于f的整数，其中i1max取所述电压自跟随防反灌电路电压输入端所连接的恒流dc/dc芯片最大输出电流，i3max取所述pmos管充电瞬间理论最大承受电流，i2max取所述二极管的前向导通电流。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述n个二极管的数量n取大于f’的整数，f’取值取为所述f取值的2倍。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述可控开关元件为晶体管，所述晶体管的基极通过所述控制电路中的电阻接外部控制信号，所述晶体管的集电极连接所述pmos管的栅极，所述晶体管的发射极接地。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述可控开关元件为mos管，所述mos管的栅极通过所述控制电路中的电阻接外部控制信号，所述mos管的漏极连接所述pmos管的栅极，所述mos管的源极接地。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述电压自跟随防反灌电路的电压输出端通过滤波电容接地。

更进一步的，所述电压自跟随防反灌电路中所述pmos管是p沟道功率mos管。

本发明的有益效果在于：

在恒流dc/dc芯片与电池或超级电容模组之间加入该电压自跟随防反灌电路后，即使恒流dc/dc芯片输入端掉电而此时电池或超级电容模组的电压较高，由于所述电压自跟随防反灌电路中的二极管以及pmos管的漏电流很小，二者叠加远不能达到使恒流充电dc/dc芯片误动作的电流级别，从而起到了防止反灌的作用。在充电开始瞬间，由于与所述电压自跟随防反灌电路pmos管中体二极管并联的n个二极管的分流作用，使得通过pmos管中体二极管的电流小于pmos管充电瞬间理论最大承受电流，有效防止充电开始瞬间因恒流dc/dc芯片输出电流过大烧毁pmos管。在充电开始后过程中，由于所述pmos管的栅极连接外部控制信号输入端，所述外部控制信号输入端能够输出低电平控制pmos管导通，使得pmos管将n个二极管旁路，该防反灌电路的电压输出端一直与电压输入端电压保持一致，实现电压自跟随并实现恒流充电截止电压的精确可控。

在升压放电dc/dc与系统供电之间加入该电压自跟随防反灌电路后，在对电池或超级电容模组进行升压放电过程中，即使升压dc/dc芯片输入端无电而系统供电有电，由于处于n个二极管和pmos管中体二极管均处于反向截止状态，起到了防止反灌作用。而当外部掉电瞬间，由于所述pmos管的栅极连接外部控制信号输入端，所述外部控制信号输入端输出低电平控制pmos管导通，防反灌电路的电压输出端一直与电压输入端电压保持一致，实现升压放电电压的精确可控。

附图说明

图1是本发明实施方式一的电路图。

图2是本发明实施方式二的电路图。

图3是本发明实施方式二应用于超级电容模组充电电路和升压放电电路的电路图。

图4是本发明实施方式三的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，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。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施方式一：

图1是实施方式一的电路图。如图1所示，电压自跟随防反灌电路包括二极管v11、二极管v12、pmos管v13、电阻r14；所述电压自跟随防反灌电路的电压输入端u_in连接所述二极管v11和二极管v12的阳极以及所述pmos管v13的漏极，所述电压自跟随防反灌电路的电压输出端u_out连接所述二极管v11和二极管v12的阴极以及所述pmos管v13的源极，所述pmos管v13的栅极连接外部控制信号输入端ctrl，所述外部控制信号输入端ctrl能够输出高低电平控制pmos管v13的开断；所述电阻r14一端连接所述pmos管v13源极，另一端连接所述pmos管v13的栅极。作为更优化的方案，该实施方式中所述二极管是漏电流为微安级的二极管。更为优化的方案是选择es1d二极管作为该实施方式中所述二极管可进一步减小电路体积。作为另一个优化方案，该实施方式中所述pmos管是p沟道功率mos管irlml6402。

下面以该电路应用于恒流充电dc/dc与超级电容模组之间的情形说明该电路的工作过程，该电路应用于升压放电dc/dc与系统供电之间的情形与之类似。如图1所示，电压输入端u_in接恒流dc/dc输出，外部控制信号输入端ctrl接负逻辑的使能电平信号，电压输出端u_out接超级电容模组。当外部有电时，恒流dc/dc开始工作，电流会通过二极管v11、二极管v12以及pmos管v3内部体二极管开始向超级电容模组充电，此时电压输出端u_out的电压即为超级电容模组的电压，当外部控制信号输入端ctrl接收到低电平有效的外部使能信号使得pmos管v3的源极与漏极开始完成导通，pmos管v3的源极与漏极之间压降为零，二极管v11、二极管v12被旁路，此时电压输出端u_out电压完全等于电压输入端u_in电压。由于在恒流充电过程中，超级电容模组会持续升高，因此电压输入端u_in电压会一直跟随电压输出端u_out电压的升高而升高，直到电压输入端u_in电压达到预先设置的充电截止电压，即超级电容模组最终充电截止电压等于恒流dc/dc输出电压，实现了充电电压的精确控制。

当外部掉电时，假设此时超级电容模组有电，即电压输出端u_out有电，由于外部掉电此时电压输入端u_in电压等于0，外部控制信号输入端ctrl未能接收到低电平有效的外部使能信号使得pmos管v3的源极与漏极关断。此时二极管v11、二极管v12以及pmos管v3均处于反向截止状态，当二极管v11、二极管v12选型es1d类型的二极管时，漏电流为ua级别，最大为100ua(125℃时)，irlml6402型pmos管v13的漏电流也为ua级别，最大为25ua(70℃时)，三者叠加远不能达到使恒流充电dc/dc芯片误动作的电流级别，从而起到了防止反灌的作用。

由于在充电开始的瞬间pmos管v13的源极与漏极还处于关断状态，如果没有在电压输入端u_in与电压输出端u_out并联n个二极管，则恒流dc/dc芯片输出电流只能全部流向pmos管的体二极管，由于恒流dc/dc芯片输出电流远大于pmos管体二极管的最大承受电流(例如：irlml6402型pmos管70℃时最大可承受电流约为0.667a，而恒流dc/dc芯片jw5026最大输出为2a)，这样会导致充电开始的瞬间pmos管v13烧毁。因此必须在在电压输入端u_in与电压输出端u_out并联n个二极管用来给pmos管v13在充电瞬间分流，其数量n取大于0的整数。作为进一步的优化方案，n取大于f的整数，其中i1max取恒流dc/dc芯片最大输出电流，i3max取所述pmos管充电瞬间理论最大承受电流，i2max取所述二极管的前向导通电流。作为更进一步的优化方案，n取大于f’的整数，f’取值取为所述f取值的2倍，保证各器件所承受的电流有足够的安全冗余。

实施方式二：

图2是本发明实施方式二的电路图。如图2所示，电压自跟随防反灌电路包括二极管v21、二极管v22、pmos管v23、晶体管v24、电阻r25、电阻r26、电容c27、电容c28；所述电压自跟随防反灌电路的电压输入端v_cap连接所述二极管v21和二极管v22的阳极以及所述pmos管v23的漏极，所述电压自跟随防反灌电路的电压输出端vout连接所述二极管v21和二极管v22的阴极以及所述pmos管v23的源极，所述pmos管v23的栅极连接所述晶体管v24的集电极，所述电阻r26一端连接所述pmos管v23的源极，另一端连接所述pmos管v23的栅极，所述晶体管v24的发射极接地，所述晶体管v24的基极通过所述电阻r25连接外部控制信号输入端ctrl，电压输出端vout分别通过所述电容c27和所述电容c28接地。所述晶体管v24、所述电阻r25组成控制电路，将外部高电平有效的使能控制信号变换成低电平信号，进而控制pmos管v23导通。电压输出端vout分别通过所述电容c27和所述电容c28接地，能够滤除交流成分，使得电压输出端vout的直流输出电压更加纯净。

图3是本发明实施方式二应用于超级电容模组充电电路和升压放电电路的电路图。如图3所示，d1为恒流充电芯片，vin通过d1后输出为恒定电流(jw5018约1a，jw5026约2a)，v_capin为超级电容模组被充电后的电平状态，通过r7及r12来设置d1的最终充电截止电平，该电平根据后级超级电容模组的截止充电电平需求来设定，如2个2.7v规格的超级电容串联组合，可设置为4.6v截止充电电平。v_capin经过专用防反灌电路后给到超级电容模组，实现组合体充电的精准控制，同时可以可靠的保证在系统掉电而超级电容模组有电状态下，防止超级电容模组对恒流充电芯片d1的反灌，规避了d1由于反灌导致的安全隐患(如输入与输出直通、芯片异常发热等)。d2为升压输出芯片，其升压使能引脚引入了掉电检测信号ctrl，该信号当系统有电时为低电平，不使能d2，此时超级电容模组只充电不升压输出。而当外部掉电到被检测门槛电压时，ctrl被拉高，使能d2，开始升压输出。v_cap即为d2的升压输出电平，vout为给到主系统的电平，通常为12v。v_cap与vout之间再次引入了输出防反灌电路，并引入了掉电检测信号ctrl，实现当外部有电时，ctrl为低电平，防反灌电路禁止输出，同时可以有效起到防反灌的目的，防止系统有电时，系统电平vout对d2的反灌带来安全隐患(如输入与输出直通、芯片异常发热等)。当外部掉电瞬间，ctrl被拉高，防反灌电路开始输出，并且最终保证v_cap与vout等电位，充分确保超级电容模组经升压芯片d2后的输出电平达到设计要求，不存在仅使用二极管作为防反灌机制带来的电平不确定性。

实施方式三：

图4是本发明实施方式三的电路图。如图4所示，电压自跟随防反灌电路包括二极管v31、二极管v32、pmos管v33、mos管v34、电阻r35、电阻r36、电容c37、电容c38；所述电压自跟随防反灌电路的电压输入端v_cap连接所述二极管v31和二极管v32的阳极以及所述pmos管v33的漏极，所述电压自跟随防反灌电路的电压输出端vout连接所述二极管v31和二极管v32的阴极以及所述pmos管v33的源极，所述pmos管v33的栅极连接所述mos管v34的漏极，所述电阻r36一端连接所述pmos管v33的源极，另一端连接所述pmos管v33的栅极，所述mos管v34的源极接地，所述mos管v34的栅极通过所述电阻r35连接外部控制信号输入端ctrl，电压输出端vout分别通过所述电容c27和所述电容c28接地。所述mos管v34、所述电阻r35组成控制电路，将外部高电平有效的使能控制信号变换成低电平信号，进而控制pmos管v33导通。电压输出端vout分别通过所述电容c37和所述电容c38接地，能够滤除交流成分，使得电压输出端vout的直流输出电压更加纯净。

本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。