一种超级电容充放电管理电路的制作方法

1.本实用新型涉及超级电容的配套电路结构领域。


背景技术：

2.目前超级电容的主要管理就是恒流充电和恒压充电，以及对进行超级电容的均压管理，而且实现方式主要是通过专用的电源芯片来实现，目前该类专利在实际过程的应用中还有一些缺陷，其主要问题一是防倒灌、防反充控制的并不好，二是充电速度的快慢、放电的控制、系统的振荡控制也得不到良好的控制。


技术实现要素：

3.本实用新型针对以上问题，提出了一种可以针对单双体超级电容充放电进行良好管理的超级电容充放电管理电路。
4.本实用新型的技术方案为：所述超级电容连接在电源和负载之间，所述管理电路包括防反接电路、充电电路、放电电路以及防反充电路，所述电源经充电电路连接超级电容，所述超级电容经放电电路连接负载；
5.所述防反接电路连接在电源和充电电路之间，并且防反接电路还与负载相连接，使得电源经充电电路给超级电容充电时，同时也给负载充电；
6.所述防反充电路连接在放电电路和负载之间，通过防反充电路避免负载经放电电路对超级电容进行充电。
7.所述管理电路还包括防振荡电路，所述防振荡电路的一端连接超级电容，并且防振荡电路的另一端连接放电电路，通过防振荡电路防止超级电容随负载断开后，重新使放电电路进入工作状态。
8.所述防反接电路包括二极管d1，所述充电电路包括充电芯片u1，所述充电芯片u1的型号为ltc3225；
9.电源vin连接二极管d1的正极，并在二极管d1的负极产生5.1伏电源vcc，同时,二极管d1的负极连接充电芯片u1的vin脚，所述充电芯片u1的cout脚连接超级电容的正极，并且超级电容的负极接地，通过超级电容产生输出电源vcc_2。
10.所述放电电路包括负载开关u2，所述负载开关u2的型号为tp522967；所述防反充电路包括二极管d2，输出电源vcc_2同时连接负载开关u2的两个vin脚及vbias脚，负载开关u2的两个vout脚同时连接二极管d2的正极，二极管d2的负极连接负载。
11.所述放电电路还包括型号为sn74aup1g74的d触发器u3、型号为ss61cn4002mr的电源电压检测芯片u4、型号为ss61cn4902mr的电源电压检测芯片u7、型号为sn74lvc1g86的异或门u6；
12.输出电源vcc_2经二极管d3后产生供电电源vcc_1；
13.输出电源vcc_2分别连接电源电压检测芯片u4的vin脚以及电源电压检测芯片u7的vin脚，所述电源电压检测芯片u4的gnd脚以及电源电压检测芯片u7的gnd脚都接地，所述
电源电压检测芯片u4的vout脚接端口vo2，所述电源电压检测芯片u7的vout脚接端口vo1；并且，输出电源vcc_2还分别经电阻r6接端口vo2以及经电阻r11接端口vo1；
14.所述端口vo2接异或门u6的a脚，端口vo1接异或门u6的b脚，异或门u6的gnd脚接地，异或门u6的vcc脚经电容c12接地，供电电源vcc_1接入电容c12和异或门u6之间，异或门u6的y脚经电阻r9、mos管q1、电阻r7之后连接输出电源vcc_2，mos管q1的g脚接电阻r9、d脚接电阻r7、s脚接地，mos管q1和电阻r7之间设有端口vcp；
15.所述端口vcp以及端口vo2分别接入d触发器u3的clk脚及d脚，所述d触发器u3的gnd脚接地，所述d触发器u3的vcc脚、pre脚以及clr脚同时接二极管d3的负极，并且所述d触发器u3的vcc脚、pre脚以及clr脚同时经电容c11接地；所述d触发器u3的q脚经端口vcapen接负载开关u2的on脚。
16.所述防振荡电路包括型号为mc74vhc1gt125的三态缓冲器u5，电源vin经电阻r4及电阻r5后接地，电阻r4和电阻r5之间设有端口vlost，端口vlost接三态缓冲器u5的oe脚；
17.所述端口vcapen接三态缓冲器u5的ina脚，所述三态缓冲器u5的gnd脚接地，三态缓冲器u5的vcc脚接供电电源vcc_1，并且三态缓冲器u5的vcc脚还经电容c13接地，所述三态缓冲器u5的y脚经电阻r8以及mos管q2连接输出电源vcc_2，所述mos管q2的g脚接电阻r8、s脚接输出电源vcc_2、d脚经电阻r10接地。
18.本实用新型在电源输入电压高于超级电容的的供电电压时才能充电，输入电压低于超级电容供电电压时，电源输入会自动切断；并可有效防止负载对超级电容反向充电，对超级电容可自动切断负荷，并可有效防止超级电容因符合不平衡从而产生振荡。
19.本实用新型的有益效果为：
20.一、满足超级电容恒流充电，充电电压可以设置的要求；
21.二、超级电容放电输出的电压可以设置；
22.三、可以有效避免超级电容电压降到一定阶段，导致系统进入振荡阶段消耗超级电容的电荷，对负载系统造成损坏；
23.四、可以防止超级电容对输入电源供电；
24.五、可以防止负载电源对超级电容进行充电，让超级电容充电电路失去作用。
附图说明
25.图1是本案的结构示意图，
26.图2是本案中充电电路的电路图，
27.图3是本案中放电电路的电路图。
具体实施方式
28.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
29.本实用新型如图1-3所示，所述超级电容连接在电源和负载之间，其特征在于，所述管理电路包括防反接电路、充电电路、放电电路以及防反充电路，所述电源经充电电路连接超级电容，所述超级电容经放电电路连接负载；
30.所述防反接电路连接在电源和充电电路之间，并且防反接电路还与负载相连接，
使得电源经充电电路给超级电容充电时，同时也给负载充电；
31.所述防反充电路连接在放电电路和负载之间，通过防反充电路避免负载经放电电路对超级电容进行充电。
32.所述管理电路还包括防振荡电路，所述防振荡电路的一端连接超级电容，并且防振荡电路的另一端连接放电电路，通过防振荡电路防止超级电容随负载断开后，重新使放电电路进入工作状态。
33.所述防反接电路包括二极管d1，所述充电电路包括充电芯片u1，所述充电芯片u1的型号为ltc3225；
34.电源vin连接二极管d1的正极，并在二极管d1的负极产生5.1伏电源vcc，同时,二极管d1的负极连接充电芯片u1的vin脚，所述充电芯片u1的cout脚连接超级电容的正极，并且超级电容的负极接地，通过超级电容产生输出电源vcc_2。
35.具体来说，如图2所示，电源vin通过二极管d1给系统供电，二极管d1在此处起到防反接的作用，超级电容充电电路采用专用的充电芯片u1，超级电容充电电压可以通过充电芯片u1的v_sel脚进行设置，充电电流可以通过充电芯片u1的prog脚进行设置，超级电容刚开始通过恒流充电，充到v_sel设定的电压，停止充电。
36.电源vin输入 5.3v电压，vcc为5.1v电压，vcc_2为5.3v电压。
37.二极管d1具有防倒灌和防反接的作用，要求采用低压差二极管；
38.c1、c3、c6为滤波电容；滤波电容c1的一端接电源vin、且另一端接地；滤波电容c3的一端接二极管d1的负极、且另一端接地；滤波电容c6的一端同时接充电芯片u1的vin脚及shnd脚、且另一端接地；shdn脚低电时平芯片u1不工作。
39.c2（1，2引脚）为电荷泵电容，要求大于0.6uf，推荐1uf；电荷泵电容c2的一端接充电芯片u1的c 脚、且另一端接充电芯片u1的c-脚；
40.5.1伏电源vcc还经过电阻r2接充电芯片u1的v_sel脚；通过v_sel脚设置给超级电容最终充电电压，当r2接vcc，cout输出5.3v，超级电容充电可以冲到5.3v，当r2接地，cout输出4.8v，超级电容最终充电到4.8v。
41.充电芯片u1的gnd脚接地，充电芯片u1的prog脚经电阻r3接地；通过电阻r3对充电电流设置，根据规格书的充电曲线查询，当r3=10kω时，充电电流160ma，当r3=60kω时，充电电流26ma。pgood脚（7脚）为输出指示引脚（开漏输出），不用时接上拉或地；
42.充电芯片u1的cout脚接超级电容c5（10f，5.5v）的正极，超级电容的负极接地，通过cout脚（10脚）输出给超级电容充电。
43.通过充电芯片u1的cx脚（3脚）起均压作用，当有两个单体的超级电容充电，接在两个超级电容的中心处，对于盒体的超级电容，需要在外面接两个大小一样的电容，cx接在电容中间。
44.输出电源vcc_2经电阻r1接充电芯片u1的pgood脚。
45.如图3所示，防反充电路采用低压差二极管d2，防止负载电压给超级电容充电，造成超级电容充电电路失去作用；
46.超级电容放电通过控制负载开关u2来实现， 当u2 使能端信号（3脚）vcapen为高电平时，负载开关打开，对外供电，3脚的电容c9为滤波电容，u2的6脚接一个电容，用来控制开关的斜率。
47.vcc_2：超级电容上的电压；
48.vcc：供给负载的电压；
49.vcc_1：给防振荡电路使用的电源，超级电容的电压通过d2给c10充电，c10作为一个蓄水池，避免收到超级电容电荷振荡，从而影响芯片的正常工作。
50.u4：ss61cn4002mr，为电源电压检测芯片，当电源电压低于4v，输出低电平及vo2为低电平；当电源电压高于4v，输出高电平及vo2为高电平。
51.u7：ss61cn4902mr，为电源电压检测芯片，当电源电压低于4.9v，输出低电平及vo1为低电平；当电源电压高于4v，输出高电平及vo1为高电平。
52.u3：d触发器（sn74aup1g74），时钟上升沿锁存d信号；
53.u5：3态缓冲器（mc74vhc1gt125），当oe为低电平时，y=ina，由掉电信号控制，当外部电源存在时，u5不工作，当外部电源不存在时，u5开始工作。
54.u6：异或门，当a、b同为高电平或低电平输出低电平，a和b电平不一致则输出为高电平，输出高电平，后面增加nmos管，是对u6输出的信号取反。即a、b电平一致，vcp为高电平，a、b电平不一致，vcp为低电平。
55.所述放电电路包括负载开关u2，所述负载开关u2的型号为tp522967；所述防反充电路包括二极管d2，输出电源vcc_2同时连接负载开关u2的两个vin脚及vbias脚，负载开关u2的两个vout脚同时连接二极管d2的正极，二极管d2的负极连接负载。
56.另外，负载开关u2的on脚接端口vcapen的同时，还经滤波电容c9接地，负载开关u2的两个gnd脚接地，负载开关u2的ct脚经电容c8接地。
57.所述放电电路还包括型号为sn74aup1g74的d触发器u3、型号为ss61cn4002mr的电源电压检测芯片u4、型号为ss61cn4902mr的电源电压检测芯片u7、型号为sn74lvc1g86的异或门u6；
58.输出电源vcc_2经二极管d3后产生供电电源vcc_1；二极管d3的负极经电容c10接地，供电电源vcc_1连接于二极管d3和电容c10之间；
59.输出电源vcc_2分别连接电源电压检测芯片u4的vin脚以及电源电压检测芯片u7的vin脚，所述电源电压检测芯片u4的gnd脚以及电源电压检测芯片u7的gnd脚都接地，所述电源电压检测芯片u4的vout脚接端口vo2，所述电源电压检测芯片u7的vout脚接端口vo1；并且，输出电源vcc_2还分别经电阻r6接端口vo2以及经电阻r11接端口vo1；
60.所述端口vo2接异或门u6的a脚，端口vo1接异或门u6的b脚，异或门u6的gnd脚接地，异或门u6的vcc脚经电容c12接地，供电电源vcc_1接入电容c12和异或门u6之间，异或门u6的y脚经电阻r9、mos管q1、电阻r7之后连接输出电源vcc_2，mos管q1的g脚接电阻r9、d脚接电阻r7、s脚接地，mos管q1和电阻r7之间设有端口vcp；
61.所述端口vcp以及端口vo2分别接入d触发器u3的clk脚及d脚，所述d触发器u3的gnd脚接地，所述d触发器u3的vcc脚、pre脚以及clr脚同时接二极管d3的负极，并且所述d触发器u3的vcc脚、pre脚以及clr脚同时经电容c11接地；所述d触发器u3的q脚经端口vcapen接负载开关u2的on脚。
62.所述防振荡电路包括型号为mc74vhc1gt125的三态缓冲器u5，电源vin经电阻r4及电阻r5后接地，电阻r4和电阻r5之间设有端口vlost，端口vlost接三态缓冲器u5的oe脚；vlost：产生掉电信号，当vin有电压输出高电平，当vin没有电压低电平，并给后记使用。
63.所述端口vcapen接三态缓冲器u5的ina脚，所述三态缓冲器u5的gnd脚接地，三态缓冲器u5的vcc脚接供电电源vcc_1，并且三态缓冲器u5的vcc脚还经电容c13接地，所述三态缓冲器u5的y脚经电阻r8以及mos管q2连接输出电源vcc_2，所述mos管q2的g脚接电阻r8、s脚接输出电源vcc_2、d脚经电阻r10接地。
64.整个防振荡的负载放电电路工作原理如下：
65.1）系统开始上电
66.vin对系统供电，同时给超级电容充电，超级电容电压vcc_2缓慢升高，当超级电容电压低于4v时，电源电压检测芯片vo1和 vo2都输出低电平。u6为异或电路，输出低电平，则vcp为高电平，超级电容的电压继续升高，当达到4v，但小于4.9v时，vo2为高电平，vo1为电平，vcp由高电平变低电平，产生下降沿，整个过程u3不工作，负载开关不打开，超级电容不对外供电。当超级电容充电电压继续升高，高于4.9v，vo2和vo1都为高电平，vcp变高电平，vcp此时由低电平变高电平产生一个上升沿，将此时输入电压vo2锁存，u3的q端输出高电平，即vcapen为高电平，负载开关打开，但此时外部电源vin还在对负载供电，d2之间不能形成压差大于0.2v，此时还是外部电源vin对负载供电，超级电容电压vcc_2不对负载供电。
67.2）系统掉电
68.vin电压为零，vlost由高电平变低电平，但此时vcapen还是高电平，超级电容通过负载开关u2和d2对负载供电，由于vcapen为高电平，则u5输出高电平，假负载不能投入消耗超级电容电荷。
69.随着超级电容继续给负载供电，超级电容上的电压继续降低，当超级电容的电压低于4.9v，且高于4v，vo1输出低电平，vo2为高电平，此时vcp由高电平变为低电平，产生下降沿，此时u3输出保持不变，vcapen为高电平，负载开关打开，超级电容继续对外供电，同时u5继续输出高电平，负载电阻r10不能投入消耗超级电容电荷。
70.当超级电容的电压低于4v时，vo2由高电平变低电平，同时vo1也电平，则vcp由电平变高电平，产生一个上升沿，此时vo2电平锁存到u3，u3输出低电平，vcapen为低电平，负载开关切断，不对外供电，同时u5输出低电平，mos管q2导通，假负载r10投入消耗超级电容电荷，消耗超级电容电荷。
71.r10用来消耗超级电容电荷，r10大于负载电荷，超级电容的电压不会继续升高，但r10如果小于负载电压，超级电容的电压会反弹，增加u4和u7用来设置超级电容因负载变化产生的电压反弹的幅值，u7设置相对高点，保证超级电容电压因负载的变化，反弹不能超过u7阈值。r10和阈值设置，保证系统安全性，避免超级电容电压因负载变化电压正当开启负载开关，导致用电负载在频繁正当，造成系统的损坏。
72.当超级电容因负荷变化反弹时，vcc_2电压升高，vo2由低电平变成高电平，但在反弹过程中vo1一直为低电平，则vcp为低电平，产生一个下降沿，此时u3输出信号保持不变，vcapen继续输出低电平，负载开关不打开，此时u5输出低电平，q2导通，r10投入继续消耗超级电容电荷，超级电容电话继续下降，当超级电容电荷再次低于4v时，vo2为低电平，此时vcp为高电平，产生一个上升沿，但vo2为低电平，则vcapen还是为低电平，负载开关不打开，此时u5继续输出低电平，q2继续打开，超级电容继续通过r10放电，由于此时超级电容的负载没有发生较大变化，超级电容继续缓慢放电，慢慢直到消耗完超级电容电荷，系统不会产生振荡。
73.本实用新型具体实施途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。