專利名稱：一種超級(jí)電容充電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種超級(jí)電容充電電路。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容作為大容量?jī)?chǔ)能元件，目前已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電行業(yè)廣泛用于能
量?jī)?chǔ)存。目前對(duì)超級(jí)電容充電，采用比較廣泛的是恒流方式充電。該充電方式根據(jù)電容充電的恒流充電公式V=IX t/C可知，超級(jí)電容兩端電壓隨時(shí)間的增加而線性增加，而根據(jù)充電功率公式P=I X V可知，隨著超級(jí)電容電壓越來(lái)越高，充電功率也越來(lái)越大。在采用普通開(kāi)關(guān)電源型恒流充電電路進(jìn)行充電時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電路輸入功率越來(lái)越大的情況。這種情況下，電路自身功耗增加，發(fā)熱量增大，對(duì)輸入電源功率容量要求較高。如圖7所示。對(duì)于采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能器件的記錄器獨(dú)立電源，ARINC777-2010 (記錄器獨(dú)立電源)標(biāo)準(zhǔn)2. 3.1節(jié)對(duì)充電情況下記錄器獨(dú)立電源的輸入功率是有限制要求的，不可大于“獨(dú)立電源輸出功率+5W”，所以對(duì)于采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能器件的記錄器獨(dú)立電源，其超級(jí)電容充電電路需要對(duì)充電功率進(jìn)行限制。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種超級(jí)電容充電電路，不采用恒流充電的方式，而采取一種恒流充電、恒功率充電以及恒壓充電相結(jié)合的方式，控制輸入電源功率，降低對(duì)輸入電源功率容量的要求，以滿足ARINC777-2010中2. 3.1節(jié)的要求。技術(shù)方案一種超級(jí)電容充電電路，包括開(kāi)關(guān)電源電路2、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路5、電流一電壓轉(zhuǎn)換電路3、功率一電流轉(zhuǎn)換電路6、反饋選擇電路4。所述的開(kāi)關(guān)電源電路2為同時(shí)具有電壓反饋輸入端和電流反饋輸入端的BUCK型開(kāi)關(guān)電源電路。該開(kāi)關(guān)電源電路在負(fù)載電流處于設(shè)定值以下時(shí)，采用電壓反饋輸出設(shè)定的電壓，在負(fù)載處于設(shè)定的電壓值下其電流會(huì)超過(guò)電流設(shè)定值時(shí)，采用電流反饋方式將輸出電流穩(wěn)定在設(shè)定的電流值上。所述的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路3，將輸出電流采樣后轉(zhuǎn)換為一個(gè)與輸出電流線性相關(guān)的電壓，即VfkI。所述電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5將電流一電壓轉(zhuǎn)換電路3的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流輸出，且電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5的輸出電流與電流一電壓轉(zhuǎn)換電路3的輸入電流成線性關(guān)系，即 I1=InV1=IiikL所述功率一電流轉(zhuǎn)換電路6將電流一電壓轉(zhuǎn)換電路3的輸出電壓和電源輸出端7的電壓對(duì)應(yīng)的功率線性轉(zhuǎn)換為電流輸出，即I2=IdXnVtjt5同時(shí)可以根據(jù)輸入端VSIN電壓高于設(shè)定值時(shí)短路輸出端PCO的電流，或在VSIN電壓低于設(shè)定值時(shí)通過(guò)CTRL輸出端輸出控制信號(hào)，用于短路電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5輸出端CCO的輸出電流。采用上述結(jié)構(gòu)，則可以實(shí)現(xiàn)在超級(jí)電容電壓很低時(shí)，采用電流反饋模式實(shí)現(xiàn)恒流充電，而在超級(jí)電容電壓達(dá)到一定值后，采用功率反饋模式實(shí)現(xiàn)恒功率充電，在超級(jí)電容電壓達(dá)到電壓反饋設(shè)定值后，則采用電壓反饋模式實(shí)現(xiàn)恒壓充電。有益效果本發(fā)明通過(guò)采用發(fā)明所示電路對(duì)超級(jí)電容充電，比較恒流充電電路，本發(fā)明可以最優(yōu)的利用輸入電源的功率容量。當(dāng)輸入電源功率容量固定為P，設(shè)定的超級(jí)電容充滿電壓為V時(shí)，在不考慮功率損耗的情況下，為保證最大充電功率不會(huì)超過(guò)輸入電源功率，則充電電流最大為I=P/V，則恒流充電需要耗費(fèi)的時(shí)間為te=VC/I=V2C/P。而采用本發(fā)明所示電路充電，則在恒流充電階段耗費(fèi)的時(shí)間為t^V/C/P (V1為恒流到恒功率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓)，根據(jù)電容能量公式，在恒功率充電階段耗費(fèi)的時(shí)間為t2= (V2-V12) C/2P，則總的充電耗費(fèi)時(shí)間為 Wt2= (V2+Vi2) C/2P ;比較兩個(gè)時(shí)間 tc-tcp= (V2-V12)( V，所以可知1.參閱圖8，在電源輸入最大功率確定的情況下，采用本發(fā)明所示電路給超級(jí)電容充電，要比恒流充電節(jié)省時(shí)間，更充分的利用利用輸入電源的功率容量；2.參閱圖9，在充電時(shí)間確定的情況下，采用本發(fā)明所示電路給超級(jí)電容充電，對(duì)輸入電源的功率要求要比恒流充電電路低；3.參閱圖9，在充電時(shí)間確定，以及開(kāi)關(guān)電源效率確定的情況下，采用本發(fā)明所示電路給超級(jí)電容充電，由于充電功率比較平穩(wěn)，且較恒流充電峰值功率要低，所以在元器件的散熱設(shè)計(jì)上要比恒流充電電路簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明電路原理框圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施例電路原理結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明一實(shí) 施例中開(kāi)關(guān)電源原理圖；圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中電壓一電流轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中功率一電流轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中反饋選擇電路的電路原理結(jié)構(gòu)圖；圖7為采用恒流充電方式下充電功率、超級(jí)電容電壓以及電路功耗曲線圖；圖8為限定輸入電源功率下兩種充電方式充電功率、超級(jí)電容電壓曲線圖；圖9為限定充電時(shí)間下兩種充電方式充電功率、超級(jí)電容電壓、充電電路功耗曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的一種實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)描述，請(qǐng)參閱圖1至圖6。參閱圖1和圖2，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)包括開(kāi)關(guān)電源電路2、電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5、電流一電壓轉(zhuǎn)換電路3、功率一電流轉(zhuǎn)換電路6、反饋選擇電路4。輸入電源通過(guò)電源輸入端I輸入，經(jīng)過(guò)本發(fā)明所示電路后從電源輸出端7輸出電流給超級(jí)電容充電。開(kāi)關(guān)電源電路2具有電壓反饋和電流反饋兩種工作模式，而電流反饋經(jīng)過(guò)電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5、電流一電壓轉(zhuǎn)換電路3、功率一電流轉(zhuǎn)換電路6、反饋選擇電路4后又分解成電流反饋模式和功率反饋模式，所以整個(gè)電路的工作隨超級(jí)電容的電壓區(qū)域分為三種工作模式a.超級(jí)電容電壓低于設(shè)定值Vl時(shí)，處于恒流充電模式；
b.超級(jí)電容電壓處于設(shè)定值Vl與設(shè)定的電容充滿電壓V之間時(shí)，處于恒功率充電模式；c.超級(jí)電容電壓等于設(shè)定的電容充滿電壓V時(shí)，處于恒壓充電模式。參閱圖3，開(kāi)關(guān)電源電路2采用凌特公司的開(kāi)關(guān)電源芯片LT3724加外圍器件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)參考芯片資料上典型的BUCK型開(kāi)關(guān)電源電路，但進(jìn)行了一些改變，具體如下 a.用于電流反饋的弓I腳Sense+與Sense-沒(méi)有連接到電流采樣電阻(對(duì)應(yīng)本發(fā)明中的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路3)兩端，而是用于連接反饋選擇電路4的輸出；b.沒(méi)有典型BUCK型開(kāi)關(guān)電源電路所具備的輸出濾波電容，這是因?yàn)槌潆姷膶?duì)象即為電容器。電流-電壓轉(zhuǎn)換電路3采用電流檢測(cè)電阻實(shí)現(xiàn)，可以采用普通的阻抗較低的電阻器，以降低線路損耗，為了提高采集精度，也可以選用四引腳的電流檢測(cè)電阻。參閱圖4，電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5采用凌特公司電流檢測(cè)芯片LT6105的典型電路構(gòu)成。 參閱圖5，功率一電流轉(zhuǎn)換電路6采用凌特公司功率檢測(cè)芯片LT2940加外圍電路構(gòu)成。采用R3、R4分壓的方式來(lái)檢測(cè)輸出電壓值，采用I+和1-引腳間壓差來(lái)檢測(cè)輸出電流值，Pmon引腳輸出與功率成線性關(guān)系的電流。將CmpOut連接到Pmon引腳,將/CmpOut引腳通過(guò)CTRL連接到電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5的輸出端CC0。采用R6和R7分壓的方式監(jiān)控輸出電壓。當(dāng)電壓高于某一設(shè)定值時(shí)，其/CmpOut輸出低電平吸收電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5輸出的電流，而CmpOut輸出高阻態(tài)，Pmon引腳輸出電流到反饋選擇電路4，使當(dāng)前的反饋為功率反饋，實(shí)現(xiàn)恒功率充電；當(dāng)電壓低于某一設(shè)定值時(shí)，CmpOut輸出低電平吸收Pmon引腳輸出的電流，而/CmpOut輸出高阻態(tài)，電壓一電流轉(zhuǎn)換電路5輸出端CCO輸出電流到反饋選擇電路4，使當(dāng)前的反饋為電流反饋，實(shí)現(xiàn)恒流充電。參閱圖6，反饋選擇電路4采用二極管隔離的方式防止在短路一個(gè)輸出電流時(shí)影響到另一個(gè)輸出電流，實(shí)現(xiàn)反饋電流的選擇。電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓，而運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)電壓的驅(qū)動(dòng)以及阻抗的匹配。按照上述實(shí)施方式可以構(gòu)建出本發(fā)明所示的超級(jí)電容充電電路。a.在設(shè)計(jì)由恒流充電模式切換到恒功率充電模式時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證充電電流切換的平穩(wěn)性，即切換瞬間，電壓-電流轉(zhuǎn)換電路5的CCO引腳輸出電流應(yīng)當(dāng)與功率一電流轉(zhuǎn)換電路6的PCO引腳輸出電流相等；b.由于系統(tǒng)為單電源供電，反饋選擇電路4中用于實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器的運(yùn)算放大器應(yīng)當(dāng)選用“軌一軌”(rail—rail)型運(yùn)算放大器，以保證低電壓信號(hào)不會(huì)失真；c.根據(jù)設(shè)計(jì)充電功率的不同，適當(dāng)?shù)目紤]主充電回路上元器件(NM0S管V1、續(xù)流二極管Dl和電感器LI)的散熱問(wèn)題。當(dāng)輸入電源功率容量固定為P，設(shè)定的超級(jí)電容充滿電壓為V時(shí)，在不考慮功率損耗的情況下，為保證最大充電功率不會(huì)超過(guò)輸入電源功率，則充電電流最大為I=P/V，則恒流充電需要耗費(fèi)的時(shí)間為te=VC/I=V2C/P。而采用本發(fā)明所示電路充電，則在恒流充電階段耗費(fèi)的時(shí)間為W12CA3 CV1為恒流到恒功率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓)，根據(jù)電容能量公式，在恒功率充電階段耗費(fèi)的時(shí)間為t2= (vMOcAP，則總的充電耗費(fèi)時(shí)間為^=Vt2= (ViVi2)Cz^p ；比較兩個(gè)時(shí)間tc-tcp = (V2-V12) C/2P，顯然，V1 ( V，所以可知1.參閱圖8，在電源輸入最大功率確定的情況下，采用本發(fā)明所示電路給超級(jí)電容充電，要比恒流充電節(jié)省時(shí)間，更充分的利用利用輸入電源的功率容量；2.參閱圖9，在充電時(shí)間確定的情況下，采用本發(fā)明所示電路給超級(jí)電容充電，對(duì)輸入電源的功率要求要比恒流充電電路低；3.參閱圖9，在充電時(shí)間確定，以及開(kāi)關(guān)電源效率確定的情況下，采用本發(fā)明所示電路給超級(jí)電容充電，由于充電功率比較平穩(wěn)，且較恒流充電峰值功率要低，所以在元器件的散熱設(shè)計(jì)上要比恒流充電電路簡(jiǎn)單。
權(quán)利要求
1.一種超級(jí)電容充電電路，其特征在于，包括開(kāi)關(guān)電源電路[2]、電壓一電流轉(zhuǎn)換電路[5]、電流一電壓轉(zhuǎn)換電路[3]、功率一電流轉(zhuǎn)換電路[6]、反饋選擇電路[4]。所述開(kāi)關(guān)電源電路[2]的電源輸入端VIN連接到電源輸入端[I]，電壓輸出端VO連接到電流一電壓轉(zhuǎn)換電路[3]的電流輸入端CIN，電流一電壓轉(zhuǎn)換電路[3]的電流輸出端CO連接到電源輸出端[7]，電流一電壓轉(zhuǎn)換電路[3]的電壓輸出端CVO分別連接到電壓一電流轉(zhuǎn)換電路[5]的輸入端CSINl和功率一電流轉(zhuǎn)換電路[6]的電流輸入端CSIN2，功率一電流轉(zhuǎn)換電路[6]的電壓輸入端VSIN和開(kāi)關(guān)電源電路[2]的電壓反饋輸入端VSENSE均連接到電源輸出端[7]，反饋選擇電路[4]的兩個(gè)輸入端CINl和CIN2分別與電壓一電流轉(zhuǎn)換電路[5]的輸出端CCO和功率一電流轉(zhuǎn)換電路[6]的輸出端PCO連接，其中CINl還與功率一電流轉(zhuǎn)換電路[6]的輸出端CTRL連接，一個(gè)輸出端CSOUT與開(kāi)關(guān)電源電路[2]的電流反饋輸入端CSENSE連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超級(jí)電容充電電路，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)電源電路[2]包括開(kāi)關(guān)電源控制芯片[21]、NMOS管V1、輸出電壓檢測(cè)電阻R1、輸出電壓檢測(cè)電阻R2、電感L1、續(xù)流二極管D1，所述開(kāi)關(guān)電源控制芯片[21]的NMOS管控制端連接到NMOS管Vl的柵極G，NMOS管Vl的漏極D連接到電源輸入端VIN，源極S連接電感LI的一端，電感LI的另外一端連接到電壓輸出端V0，續(xù)流二極管正極接地，負(fù)極接到NMOS管Vl的源極S。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種超級(jí)電容充電電路，其特征在于，所述的開(kāi)關(guān)電源電路[2]為同時(shí)具有電壓反饋輸入端和電流反饋輸入端的BUCK型開(kāi)關(guān)電源電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超級(jí)電容充電電路，其特征在于，所述電壓一電流轉(zhuǎn)換電路[5]將輸入電壓CSINl轉(zhuǎn)換成電流輸出到輸出端CC0，且電壓-電流轉(zhuǎn)換電路[5]的輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超級(jí)電容充電電路，其特征在于，所述功率-電流轉(zhuǎn)換電路[6]包括功率檢測(cè)芯片[61]、輸出電壓檢測(cè)電阻R3、R4，所述功率-電流轉(zhuǎn)換電路[6]將輸入端CSIN2電壓和輸入端VSIN電壓的乘積線性轉(zhuǎn)換為電流通過(guò)輸出端PCO輸出。同時(shí)可以根據(jù)輸入端VSIN電壓高于設(shè)定值時(shí)短路輸出端PCO的電流，或在VSIN電壓低于設(shè)定值時(shí)通過(guò)CTRL輸出端輸出控制信號(hào)，用于短路電壓一電流轉(zhuǎn)換電路[5]輸出端CCO的輸出電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超級(jí)電容充電電路，其特征在于，所述反饋選擇電路[4]能夠合并功率一電流轉(zhuǎn)換電路[6]和電壓一電流轉(zhuǎn)換電路[5]輸出電流，并轉(zhuǎn)換成電壓通過(guò)反饋選擇電路[4]的輸出端CSOUT輸出。
全文摘要
本發(fā)明屬于航空電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及到一種超級(jí)電容充電電路，括開(kāi)關(guān)電源電路2、電壓—電流轉(zhuǎn)換電路5、電流—電壓轉(zhuǎn)換電路3、功率—電流轉(zhuǎn)換電路6、反饋選擇電路4。發(fā)明所述的一種超級(jí)電容充電電路，主要用于對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電控制，使得超級(jí)電容在電壓較低時(shí)采用恒流充電，電壓較高時(shí)采用恒功率充電，而在電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則采用恒壓方式對(duì)超級(jí)電容補(bǔ)充電荷。采用該充電電路可以避免恒流充電方式在超級(jí)電容端電壓升高后，對(duì)供電電源功率要求過(guò)高的情況。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103036285SQ20121052128
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者田軍, 孫慶亞, 姚軍軍, 馬寶華 申請(qǐng)人:陜西千山航空電子有限責(zé)任公司