一种基于超级电容的UPS系统的制作方法

一种基于超级电容的ups系统
技术领域
1.本实用新型涉及ups领域，尤其涉及一种基于超级电容的ups系统。


背景技术：

2.ups(uninterrupted power supply，不间断电源)系统在出现断电现象时能够通过及时启动备用电源实现对目标设备的供电，保证目标设备在断电后还能够持续运行到恢复正常供电，保证系统的稳定性，广泛应用于各种如服务器、应急设备、通信设备中确保关键设备不间断运行。而现有的ups系统大都采用蓄电池如锂电池作为备用电源，锂电池的体积大且成本高，不适用于对占用空间有较大限制的场景，如需要在类似监控的小型设备内部集成ups系统的场景。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于超级电容的ups系统，缩小ups系统的占用空间。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
5.一种基于超级电容的ups系统，其特征在于，包括信号输入接口、超级电容组、变压模块及供电端口；
6.所述变压模块包括升压芯片及变压器，所述升压芯片的信号输入端与所述信号输入接口连接，所述升压芯片的电源输入端和所述变压器的第一接入端分别与所述超级电容组的一端连接，所述升压芯片的输出端与所述变压器的第一接入端连接，所述变压器的第二接入端与所述供电端口连接，所述超级电容组的另一端接地；
7.所述第二接入端和所述供电端口还用于与市电连接。
8.进一步地，所述超级电容组包括多个串联的超级电容模块；
9.所述超级电容模块包括超级电容、稳压芯片、三极管、放电电阻及限流电阻；
10.不同所述超级电容模块中的所述超级电容互相串联形成超级电容串联组，所述超级电容串联组的一端分别与所述电源输入端及所述第一接入端连接，所述超级电容串联组的另一端接地；
11.所述超级电容的一端分别与所述放电电阻的一端、所述稳压芯片的输入端及所述限流电阻的一端连接，所述放电电阻的另一端与所述三极管的集电极连接，所述三极管的发射极分别与所述超级电容的另一端及所述稳压芯片的接地端连接，所述稳压芯片的输出端分别与所述限流电阻的另一端及所述三极管的基极连接。
12.进一步地，所述变压模块还包括第一mos管及第二mos管；
13.所述升压芯片的第一输出端分别与所述第一mos管的栅极及源极连接，所述升压芯片的第二输出端分别与所述第二mos管的栅极及源极连接，所述第一mos管的漏极与所述变压器的第一接入端的第一接口连接，所述第二mos管的漏极与所述变压器的第一接入端的第二接口连接。
14.进一步地，还包括桥堆，所述桥堆的输入端用于与市电连接，所述桥堆的输出端分别与所述供电端口及所述第二接入端连接。
15.进一步地，还包括保险丝，所述桥堆的输出端与所述保险丝的一端连接，所述保险丝的另一端与所述供电端口连接。
16.进一步地，还包括第三mos管、第四mos管及隔离电阻，所述第三mos管的栅极与所述信号输入接口连接，所述第三mos管的漏极分别与所述隔离电阻的一端及所述第四mos管的栅极连接，所述第三mos管的源极接地，所述隔离电阻的另一端分别与所述超级电容组未接地的一端及所述第四mos管的源极连接，所述第四mos管的漏极分别连接所述信号输入端及所述电源输入端。
17.进一步地，所述升压芯片为pwm控制芯片。
18.进一步地，还包括低压电路，所述低压电路包括低压供电端口、限流三极管及输出端口；
19.所述低压供电端口的输入端用于与外部电源连接，所述低压供电端口的输出端连接所述限流三极管的发射极；
20.所述限流三极管的集电极分别与所述输出端口及所述超级电容组未接地的一端连接，所述限流三极管的基极接地。
21.进一步地，所述稳压芯片的型号为ssp61cn2502mr。
22.进一步地，所述第一mos管及所述第二mos管的型号均为kia50n06bd。
23.本实用新型的工作原理为：当市电正常供电时，市电直接通过供电端口对与供电端口连接的设备进行供电，并通过变压器对超级电容组进行充电；当市电断开，则升压芯片通过与信号输入接口连接的信号输入端接收到对应信号，此时超级电容组通过升压芯片的电源输入端为升压芯片供电，升压芯片进行升压并通过变压器为供电端口连接的设备进行供电。
24.本实用新型的有益效果在于：设置超级电容作为备用电源，使用专门的升压芯片进行升压并使用变压器隔离市电和升压模块，超级电容及升压芯片所占空间小，缩小了ups系统的占用空间，适用于集成在小型设备中，在断电时能够提供基础通信所需的电量，且超级电容的成本相较于蓄电池更低，满足大批量部署的需要，同时使用变压器隔离电压使得电路的安全性提高。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例的一种基于超级电容的ups系统的电路结构示意图；
26.图2为本实用新型实施例的一种超级电容组的电路结构示意图。
具体实施方式
27.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
28.请参照图1，一种基于超级电容的ups系统，包括信号输入接口、超级电容组、变压模块及供电端口；
29.所述变压模块包括升压芯片及变压器，所述升压芯片的信号输入端与所述信号输
入接口连接，所述升压芯片的电源输入端和所述变压器的第一接入端分别与所述超级电容组的一端连接，所述升压芯片的输出端与所述变压器的第一接入端连接，所述变压器的第二接入端与所述供电端口连接，所述超级电容组的另一端接地；
30.所述第二接入端和所述供电端口还用于与市电连接。
31.从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：设置超级电容作为备用电源，使用专门的升压芯片进行升压并使用变压器隔离市电和升压模块，超级电容及升压芯片所占空间小，缩小了ups系统的占用空间，适用于集成在小型设备中，在断电时能够提供基础通信所需的电量，且超级电容的成本相较于蓄电池更低，满足大批量部署的需要，同时使用变压器隔离电压使得电路的安全性提高。
32.进一步地，所述超级电容组包括多个串联的超级电容模块；
33.所述超级电容模块包括超级电容、稳压芯片、三极管、放电电阻及限流电阻；
34.不同所述超级电容模块中的所述超级电容互相串联形成超级电容串联组，所述超级电容串联组的一端分别与所述电源输入端及所述第一接入端连接，所述超级电容串联组的另一端接地；
35.所述超级电容的一端分别与所述放电电阻的一端、所述稳压芯片的输入端及所述限流电阻的一端连接，所述放电电阻的另一端与所述三极管的集电极连接，所述三极管的发射极分别与所述超级电容的另一端及所述稳压芯片的接地端连接，所述稳压芯片的输出端分别与所述限流电阻的另一端及所述三极管的基极连接。
36.由上述描述可知，由多个串联的超级电容模块组成超级电容组，使用稳压芯片控制三极管的通断，保证各个超级电容模块中的电压统一，使得各个电容在放电过程中的进程一致，避免了先放电完成的电容电阻上升消耗其他超级电容中存储的电能。
37.进一步地，所述变压模块还包括第一mos管及第二mos管；
38.所述升压芯片的第一输出端分别与所述第一mos管的栅极及源极连接，所述升压芯片的第二输出端分别与所述第二mos管的栅极及源极连接，所述第一mos管的漏极与所述变压器的第一接入端的第一接口连接，所述第二mos管的漏极与所述变压器的第一接入端的第二接口连接。
39.由上述描述可知，升压芯片的第一输出端和第二输出端分别与第一mos管及第二mos管连接组成推挽电路，通过控制mos管交替通断实现电压的输出。
40.进一步地，还包括桥堆，所述桥堆的输入端用于与市电连接，所述桥堆的输出端分别与所述供电端口及所述第二接入端连接。
41.由上述描述可知，设置桥堆对市电进行滤波，将交流电变为元器件所需的直流电供电路使用。
42.进一步地，还包括保险丝，所述桥堆的输出端与所述保险丝的一端连接，所述保险丝的另一端与所述供电端口连接。
43.由上述描述可知，在桥堆和供电端口之间设置保险丝，保证了与供电端口连接的设备的安全性。
44.进一步地，还包括第三mos管、第四mos管及隔离电阻，所述第三mos管的栅极与所述信号输入接口连接，所述第三mos管的漏极分别与所述隔离电阻的一端及所述第四mos管的栅极连接，所述第三mos管的源极接地，所述隔离电阻的另一端分别与所述超级电容组未
接地的一端及所述第四mos管的源极连接，所述第四mos管的漏极分别连接所述信号输入端及所述电源输入端。
45.由上述描述可知，第三mos管的栅极根据从信号输入接口接收到的信号控制通断，第四mos管根据点mos管的通断情况进行通断，在市电掉电之后实现接入超级电容组进行供电，在市电正常时能够隔离超级电容组及升压芯片。
46.进一步地，所述升压芯片为pwm控制芯片。
47.进一步地，还包括低压电路，所述低压电路包括低压供电端口、限流三极管及输出端口；
48.所述低压供电端口的输入端用于与外部电源连接，所述低压供电端口的输出端连接所述限流三极管的发射极；
49.所述限流三极管的集电极分别与所述输出端口及所述超级电容组未接地的一端连接，所述限流三极管的基极接地。
50.由上述描述可知，设置专门的低压电路，在接有外部电源时能够给超级电容组充电及给输出端口所连接的外部设备供电，若外部电源断开，则超级电容组能够给外部设备供电，实现高压与低压分离的同时提高了超级电容组的充电效率。
51.进一步地，所述稳压芯片的型号为ssp61cn2502mr。
52.进一步地，所述第一mos管及所述第二mos管的型号均为kia50n06bd。
53.请参照图1，本实用新型的实施例一为：
54.一种基于超级电容的ups系统，包括信号输入接口ups
‑
ctrl、超级电容组、变压模块及供电端口p24；
55.第三mos管q22的栅极与信号输入接口连接，第三mos管的漏极分别与隔离电阻r127的一端及第四mos管q20的栅极连接，第三mos管的源极接地，隔离电阻的另一端分别与超级电容组未接地的一端及第四mos管的源极连接，第四mos管的漏极分别连接信号输入端及电源输入端；
56.在一种可选的实施方式中，信号输入接口与单片机的信号输出接口连接，并在第三mos管栅极与单片机连接前位置设置下拉电阻保证第三mos管所接收到的信号准确，且与单片机组成推挽电路；
57.变压模块包括升压芯片ic15、变压器t2、第一mos管q23及第二mos管q25，升压芯片的信号输入端与所述信号输入接口连接，升压芯片的电源输入端和变压器的第一接入端分别与超级电容组的一端连接，所述升压芯片的第一输出端分别与所述第一mos管的栅极及源极连接，所述升压芯片的第二输出端分别与所述第二mos管的栅极及源极连接，所述第一mos管的漏极与所述变压器的第一接入端的第一接口连接，所述第二mos管的漏极与所述变压器的第一接入端的第二接口连接，所述变压器的第二接入端与供电端口连接，超级电容组的另一端接地；
58.在一种可选的实施方式中，升压芯片为pwm控制芯片，型号为sg3525ap；
59.在一种可选的实施方式中，变压器为高频升压变压器；
60.变压模块还包括维持电路正常运行所需的电阻r130
‑
r132、r134
‑
r136及r138
‑
r142；电容c104、c106
‑
c109及c111；
61.还包括第一桥堆d24，第一桥堆的第一输入端用于与市电的火线连接，第一桥堆的
第二输入端用于与零线连接，第一桥堆的第一输出端与第一二极管d25的阳极连接，第一二极管的阴极分别与保险丝f4的一端及第二桥堆的输入端连接，保险丝的一端还与第二桥堆的输出端连接，第二桥堆的输入/输出接入端与第二接入端连接，第一桥堆的第二输出端接地，保险丝的另一端与供电端口连接；通过第一桥堆将220v的市电变为310v左右的高压直流电；供电端口可连接功率小于20w的带交流电源适配器的用电设备；
62.在一种可选的实施方式中，高压直流电为310v；
63.在一种可选的实施方式中，供电端口连接光端机；
64.第二桥堆包括二极管d11
‑
d13及d30；
65.还包括维持电路正常运行所需的电阻r124及电容c102；
66.在市电正常供电时，电流经由第一桥堆到达第二桥堆的输入端，通过输入/输出接入端到达变压器的第二接入端对第一接入端连接的超级电容组进行充电；当市电出现掉电时，电流由超级电容组到达变压器的第一接入端，再经由变压器的第二接入端到达第二桥堆的输入/输出接入端，通过第二桥堆的输出端为供电端口供电。
67.请参照图1及图2，本实用新型的实施例二为：
68.一种基于超级电容的ups系统，其与实施例一的不同之处在于：
69.超级电容组包括多个串联的超级电容模块；
70.超级电容模块包括超级电容、稳压芯片、三极管、放电电阻及限流电阻；
71.不同超级电容模块中的所述超级电容互相串联形成超级电容串联组，超级电容串联组的一端分别与电源输入端及所述第一接入端连接，所述超级电容串联组的另一端接地；
72.所述超级电容的一端分别与所述放电电阻的一端、所述稳压芯片的输入端及所述限流电阻的一端连接，所述放电电阻的另一端与所述三极管的集电极连接，所述三极管的发射极分别与所述超级电容的另一端及所述稳压芯片的接地端连接，所述稳压芯片的输出端分别与所述限流电阻的另一端及所述三极管的基极连接；
73.请参照图2，在一种可选的实施方式中，超级电容组包括五个串联的超级电容模块，以其中一个超级电容模块为例，超级电容模块包括超级电容c100、稳压芯片u14、三极管q17、放电电阻r117及限流电阻r12；
74.在一种可选的实施方式中，稳压芯片u14、u16、u17、u18及u19的型号为ssp61cn2502mr；
75.在充电的过程中，稳压芯片检测vin口的电压，若小于预设电压则导通vin及gnd端口，对电容进行持续充电，若大于预设电压则导通vin及vout端口，控制三极管导通，通过放电电阻进行放电，维持超级电容两端的电压稳定；同理，在放电过程若vin口的电压小于预设电压则直接导通vin及gnd端口进行放电，若大于预设电压则导通vin及vout端，在电路中引入放电电阻降低电压，维持超级电容两端的电压稳定，只需超级电容模块中的所有稳压芯片设定相同的预设电压，就能够在充放电的过程中维持超级电容两端电压的稳定；
76.还包括维持电路正常运行所需的二极管d26及d29、保险丝f5、电容c116、电阻r151及三极管q26；
77.在一种可选的实施方式中，还包括低压电路，通过dc_12v_in端口连接二极管d29的阳极，二极管d29的阴极连接保险丝f5的一端，保险丝f5的另一端分别与电容c116的一端
及三极管q26的发射极连接；电容c116的另一端与三极管q26的基极连接，三极管q26的集电极分别与二极管d26的阳极及超级电容组连接；三极管q26的基极还与电阻r151的一端连接，电阻r151的另一端接地；二极管d26的阴极与输出端口+12连接；
78.当dc_12v_in端口外接12v电源正常供电时，三极管q26导通，可通过外部接入的12v电源为输出端口连接的设备供电和为超级电容组充电，若外接电源断开，则超级电容组作为电源为输出端口连接的设备供电，其中，三极管q26有限流的作用，避免电路中电流过大，设置电阻r151能延时三极管的导通，避免瞬时电流过大，低压充电和市电充电同时进行，充电速度提升；
79.在一种可选的实施方式中，输出端口连接升压芯片、路由器及单片机；
80.请参照图1及图2，在一种可选的实施方式中，本说明书中所提到的超级电容包括c100、c101、c103、c105及c110，它们的参数均为22f 2.7v；电容c102为滤波电容，其参数为6.8uf 450v；电容c104为贴片电解电容，其参数为22uf 25v；电容c106的参数为10nf 10％100v；电容c107及c116的参数均为100nf 10％50v；电容c108的参数为10uf 10％50v；电容c109的参数为4.7nf 10％50v；电容c111的参数为1uf 10％50v；二极管d11、d12、d13、d25及d30的型号为es1j；第一桥堆d24的型号为db107s；二极管d26及d29为肖特基二极管，其型号为ss14；保险丝f4为250vac 0.4a直插保险丝，其型号为bk250/400；保险丝f5为13.2v 750ma贴片保险丝，其型号为minismdc075f
‑
2；供电端口p24的参数为5.08 2p；三极管q17、q18、q19、q21及q24为npn三极管，其型号为ss8050 y1；第三mos管q22为n
‑
mos场效应管，其型号为bss138；第四mos管q20为p
‑
mos场效应管，其型号为bss84lt1g；第一mos管q23及第二mos管q25为n
‑
mosfet场效应管，其型号为kia50n06bd；三极管q26的型号为b772m；电阻r117、r122、r125、r128及r133的参数为22ω
±
5％；电阻r121、r123、r126、r129及r137的参数为10kω
±
5％；电阻r124的参数为470kω
±
5％；电阻r127、r135、r142及r151的参数为10kω
±
5％；电阻r130、r131、r134及r140的参数为2kω
±
5％；电阻r132、r136及r138的参数为10ω
±
5％；电阻r139的参数为100ω
±
5％；电阻r141的参数为4.3kω
±
5％。
81.综上所述，本实用新型提供的一种基于超级电容的ups系统，采用串联的超级电容作为备用电源，并且为每一超级电容都设置有对应的包括稳压芯片的稳压电路，采用变压器隔离升压电路和对供电端口的供电电路，并且使用升压芯片进行升压，超级电容相较于传统的蓄电池更加节约了ups系统所占空间，配合高集成度的芯片，实现了ups系统的小型化和集成化，使得本使用新型的ups系统能够集成在如监控器、配电箱等小型设备中，在断电时能够利用超级电容放电进行数据通信的上报，使得运维人员快速获知故障位置；并且超级电容相较于蓄电池的成本低，适合大批量地布置，实用性强。
82.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。