《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種長壽高效Boost超級電容掉電保持后備電源
摘要: 本文采用超級電容器設(shè)計了高效、大電流Boost 掉電后備電源。  
Abstract:
Key words :

 

1 引言  

測量儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及機(jī)器人等重要單元或關(guān)鍵部件需在非正常掉電時進(jìn)行狀態(tài)記錄和必要的系統(tǒng)配置,使用電池往往由于長期浮充致使壽命減少,且需定期更換。超級電容器(Supercapacitor)兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電電池比能量高的優(yōu)點,可進(jìn)行高效率快速充放電,且可長期浮充,在大電流充放電、充放電次數(shù),壽命等方面優(yōu)于電池,正在發(fā)展成為一種新型、高效、實用的能量儲存裝置,是介于充電電池和電容器之間的一種新型能源器件。本文采用超級電容器設(shè)計了高效、大電流Boost 掉電后備電源。  

2 超級電容容量和拓?fù)涞倪x取  

該電源實現(xiàn)短時掉電保護(hù),其配置需要優(yōu)化,即采用盡量小的電容容量獲得盡量長的使用時間。采用Buck 結(jié)構(gòu),效率會有所提高,但會有較大的電容電荷不能利用;采用升降壓結(jié)構(gòu)的Buck-Boost 產(chǎn)生的反壓直接利用會有困難;采用高頻變壓器隔離的拓?fù)洌诮?jīng)濟(jì)性、效率、功率密度等方面均有一定限制;綜上,本文采用了可使電容容量較為合理非隔離升壓拓?fù)洌饕夹g(shù)指標(biāo)如下:超級電容電壓可用范圍3V-5V,最大輸入電流18A~20A,輸出電壓+5V@5A,保持時間10 秒。由于掉電保護(hù)時間較短,功率元件降額使用不必太苛刻。  

超級電容作為儲能元件,在正常情況下,該設(shè)計由5V 電源供電,并同時給超級電容進(jìn)行充電。當(dāng)外接電源掉電后,系統(tǒng)的所有供電需求均由超級電容完成。在此設(shè)計中超級電容部分是由兩個耐壓值為2.7V,容值為220F 的電容串聯(lián)組成,為了達(dá)到較好的均壓效果,使用了兩個1M 的電阻對兩支超級電容進(jìn)行均壓。  

3 后備電源主功率設(shè)計  

3.1 主功率拓?fù)涞脑O(shè)計  

主功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的是Boost 升壓電路,電路如圖1 所示,主要包括超級電容,boost 拓?fù)湟约癓C 濾波三個部分。  

Boost 功率拓?fù)渲校姼泻蚆OSFET 承受的電流較大,最大可到20 A,必須考慮MOSFET 的耐流和必要的散熱措施。電感值選取應(yīng)合適(本文選用2.2uH),由于在輸入電壓較低的情況下,需要得到必要的增益,MOSFET 和電感的內(nèi)阻會影響電壓增益,即存在最大占空比,當(dāng)占空比超過該值時,電壓增益反而下降,效率變低,易因電感電流過大,引起電感飽和,從而燒毀MOSFET 或電感。MOSFET需要導(dǎo)通阻抗較小,電感的直流阻抗也需要很小。

LC 濾波部分主要包括電感與電容,可經(jīng)過試驗選擇濾波級數(shù)。本設(shè)計選用0.9uH 的電感作為濾波電感,濾波電容由2200uF 和0.1uF 的并聯(lián)。

 

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圖 1 主功率電路原理圖

 

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圖 2 控制驅(qū)動原理圖

 

 

3.2 驅(qū)動控制設(shè)計  

驅(qū)動控制采用UCC2813,開關(guān)頻率為100K,如圖2 所示,由該芯片的輸出Gate1 直接驅(qū)動MOSFET。

 

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4 可靠關(guān)斷電路設(shè)計  

任務(wù)完成后能可靠下電,即下電電壓迅速且是單調(diào)下降的,關(guān)斷電路的原理如圖 3 所示,主要包括TL431 基準(zhǔn)電路,LM339 運放比較電路兩部分,通過檢測超級電容兩端電壓,與設(shè)定及比較,形成滯環(huán),完成電路的輸出切斷,圖中滯環(huán)比較器在電容電壓小于3. 5V 時電路關(guān)斷。

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