一种充电速率可控的超级电容充电管理电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种超级电容充电管理电路。


背景技术：

2.随着自动化、信息化的广泛应用，越来越多的电子设备投入使用，基于数据安全、系统稳定性等方面的考虑，电子设备需在失电状态下正常工作一段时间，集成后备电源便不可或缺。常用的后备电源有蓄电池、超级电容两种，与蓄电池相比，超级电容具有储存电容量大、功率密度大、短时大功率充放电能力强、物理能量转换效率高、使用寿命长、工作温度范围宽、安全环保的优点。基于以上优点，超级电容大规模地使用在电子设备中。
3.由于超级电容功率密度大、短时大功率充放电能力强，故其带载能力强，充电功率亦非常大。为了避免超级电容在充电的过程中占用太多的电源功率而导致设备运行异常，传统方法采用在充电电源和超级电容之间串联限流电阻充电的方式解决此问题。此方式具有以下缺点：（1）持续充电：该方式充电过程一直在进行，直到电容达到额定电压值，而电容电压经常处于临界点会影响电容寿命；（2）能量利用率低：限流电阻发热量大，产生较大的能量浪费；（3）充电速度慢：限流电阻的存在增加了充电功耗，同时也延长了充电时间。


技术实现要素：

4.本实用新型提出了一种充电速率可控的超级电容充电管理电路，其目的是：解决现有技术中存在的持续充电、能量利用率低及充电速度慢的问题。
5.本实用新型技术方案如下：
6.一种充电速率可控的超级电容充电管理电路，包括直流电源vin、充电用三级管v1、电感l1和电流监测模块；所述电流监测模块的控制输出端通过分压电阻与充电用三级管v1的基极相连接；充电用三级管v1的发射极与电流监测模块的电流反馈连接端相连接，充电用三级管v1的集电极依次通过电感l1和超级电容c1与直流电源的负极相连接；所述直流电源vin的正极与电流监测模块的参考电压端相连接，直流电源vin的正极还通过输入电阻rin连接至电流监测模块的电流反馈连接端；电感l1和超级电容c1间的连接点通过反馈电路与电流监测模块的电压反馈连接端相连接，所述电流监测模块还连接有调频电容；所述电流监测模块根据反馈电压和反馈电流控制充电用三级管v1的通断。
7.进一步地，所述电源监测模块包括振荡器d4、比较器d3、与门电路d2、rs触发器d1和驱动用三极管v3,振荡器d4的输出端和比较器d3的输出端分别连接至与门电路d2的两个输入端，与门电路d2的输出端连接至rs触发器d1的s端，rs触发器d1的r端与振荡器d4的输出端相连接，rs触发器d1的q端与驱动用三极管v3的基极相连接。
8.所述振荡器d4的ipk端作为电流反馈连接端与充电用三级管v1的发射极相连，振荡器d4的ct端接所述调频电容；比较器d3的正相输入端为所述参考电压端，比较器d3的负相输入端为所述电压反馈连接端；驱动用三极管v3的发射极接地，驱动用三极管v3的集电极为所述电流监测模块的控制输出端。
9.进一步地，所述充电管理电路还包括放电二极管v2，所述放电二极管v2的阳极连接直流电源vin的负极，放电二极管v2的阴极连接于充电用三级管v1的集电极。
10.进一步地，所述输入电阻rin为可调电阻。
11.进一步地，所述驱动用三极管v3为npn三极管，充电用三级管v1为pnp三极管。
12.进一步地，所述直流电源vin的负极接地。
13.相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：（1）电流监测模块根据反馈电压和反馈电流控制充电用三极管的通断，实现了电容充电速率可控，有效避免了超级电容持续充电及充电功率过大的问题，利于延长超级电容的使用寿命；（2）通过调整输入电阻的阻值，实现了超级电容充电电流、充电功率可设置，使用户可根据产品电源功率选择合适的充电速率；（3）电感在充电用三极管导通时储能，充电用三极管关断时通过放电二极管释放能量为超级电容充电，保证了电路运行的稳定性，且提高了能量利用率；（4）本实用新型充电功耗低、充电速率高。
附图说明
14.图1为本实用新型的结构示意图；
15.图2为电流监测模块的结构示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图详细说明本实用新型的技术方案：
17.如图1，一种充电速率可控的超级电容充电管理电路，包括直流电源vin、充电用三级管v1、电感l1和电流监测模块；所述电流监测模块的控制输出端通过分压电阻与充电用三级管v1的基极相连接；所述充电用三级管v1的基极与发射极之间设有电阻r2，充电用三级管v1的发射极与电流监测模块的电流反馈连接端相连接，充电用三级管v1的集电极依次通过电感l1和超级电容c1与直流电源的负极相连接；所述直流电源vin的正极与电流监测模块的参考电压端相连接，直流电源vin的正极还通过输入电阻rin连接至电流监测模块的电流反馈连接端，所述输入电阻rin为可调电阻；电感l1和超级电容c1间的连接点通过反馈电路与电流监测模块的电压反馈连接端相连接，所述电流监测模块还连接有调频电容；所述电流监测模块根据反馈电压和反馈电流控制充电用三级管v1的通断。所述充电用三极管v1为pnp三极管，所述直流电源vin为恒压直流电源，所述直流电源vin的负极接地。
18.进一步地，所述超级电路充电管理电路还包括放电二极管v2，所述放电二极管v2的阳极连接直流电源vin的负极，放电二极管v2的阴极连接于充电用三级管v1的集电极。
19.如图2所示，所述电源监测模块包括振荡器d4、比较器d3、与门电路d2、rs触发器d1和驱动用三极管v3,振荡器d4的输出端和比较器d3的输出端分别连接至与门电路d2的两个输入端，与门电路d2的输出端连接至rs触发器d1的s端，rs触发器d1的r端与振荡器d4的输出端相连接，rs触发器d1的q端与驱动用三极管v3的基极相连接，所述驱动用三极管v3为npn三极管。
20.所述振荡器d4的ct端接所述调频电容，所述振荡器d4的ipk端作为电流反馈连接端与充电用三级管v1的发射极相连；比较器d3的正相输入端为所述参考电压端，比较器d3的负相输入端为所述电压反馈连接端；驱动用三极管v3的发射极接地，驱动用三极管v3的
集电极为所述电流监测模块的控制输出端。
21.该超级电容充电管理电路的工作原理是：电流监测模块根据反馈电压和反馈电流控制充电用三极管v1的通断，从而实现超级电容电压电流可控充电。具体地，通过驱动用三极管v3驱动充电用三极管v1，确保其工作在饱和状态，控制策略如下：正常工作条件下，电压反馈信号小于参考电压，比较器d3输出高位，此时rs触发器d1的输出状态跟随振荡器d4输出的pwm波形变化，振荡器d4受ipk、ct控制输出pwm波，频率由ct端调频电容容值决定，调制脉宽由ipk决定，当电流反馈超出阈值时，pwm调制脉宽减小，从而缩短充电用三极管v1的开启时间，减小电流；当充电电压超过设定电压时，电压反馈信号大于参考电压，比较器d3输出低电平，与门电路d2输出低电平，从而将rs触发器d1的输出锁定在低电平，进而关断充电用三极管v1，停止充电。由此，本充电管理电路可有效避免超级电容持续充电及充电功率过大的问题，有利于延长超级电容的使用寿命。
22.当充电用三极管v1导通时，直流电源vin、输入电阻rin、充电用三极管v1、电感l1和超级电容c1构成充电回路，对电容进行充电，电流上升；当充电用三极管v1断开时，电感l1、超级电容c1和放电二极管v2构成续流回路，电感l1通过放电二极管v2续流，释放存储能量，电流下降，此续流回路有利于充电管理电路运行的稳定性，提高了能量利用率，且本实用新型充电功耗低、充电速率高。
23.进一步地，电流监测模块的电流反馈连接端从充电管理电路获取电流反馈信号，所述电流反馈信号由充电电流流经输入电阻rin形成的压降决定，通过调整输入电阻rin的阻值可以控制充电电流，实现充电功率可设置，用户可根据产品电源功率，选择合适的充电速率。电流监测模块的电压反馈连接端从充电管理电路获取电压反馈信号，所述电压反馈信号由反馈电压vout通过电阻分压得到，通过调整此电阻值可以调整电容的充电电压，实现电容饱和电压可设置，用户可根据超级电容额定电压和带载需求设置合适的饱和电压，避免过高的饱和电压对电容造成损伤。