基于超级电容的停电后持续供电电路及控制方法与流程

1.本发明涉及基于超级电容的停电后持续供电电路及控制方法，本发明技术，主要用于需求两种不同工作电压，且在停止供电后可以继续工作一段时间的场景。如停电上报功能。


背景技术：

2.当物联网(iot)或工业物联网(iiot)网络使用与居民使用相同的市电电网供电时，它们会受到功率波动、欠压的影响，甚至完全失去电力达几十秒。无状态节点可以在上电时恢复运行；但是，必须长期保持状态的节点会在上电时重置，这可能导致网络故障、延迟或性能损失。
3.备用电池是一种避免重置的方式，但它们的寿命有限，而且在设备的生命周期内可能会变得更昂贵。替代方法是，可以使用超级电容器——额定值为1法拉(f)或更高的极化电解电容器。
4.超级电容器可用于在物联网和工业物联网节点的欠压和短期断电期间提供备用电源。与锂离子电池相比，超级电容器具有明显的优势，包括几乎不受限制的充放电循环、出色的高压性能，以及高效率和高可靠性。在由交流市电供电的物联网和工业物联网节点中正确使用超级电容器，可以降低维护和系统成本，同时提高整个网络的性能。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种基于超级电容的停电后持续供电电路及控制方法。
6.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
7.一种基于超级电容的停电后持续供电电路，包括主路电源、超电充电路、超电放电电路、主路与超电交汇电路及主电源电路；
8.主路电源输出端分别接超电充电路的输入端及主路与超电交汇电路的输入端；超电充电路输出端接超电放电电路输入端；
9.超电放电电路输出端与超电交汇电路的输入端电连接；
10.超电交汇电路的输出端接主电源电路输入端；主电源电路输出端外输出负载电压；
11.超电充电路与超电放电电路作为从电路；主路电源作为供电主路；
12.主路与超电交汇电路与主电源电路作为负载电源电路。
13.作为上述技术方案的进一步改进：
14.作为三个独立技术方案，
15.超电交汇电路和/或主路电源的输出端具有防倒灌二极管；
16.超电交汇电路的输出电压低于主路电源的输出电压；
17.超电交汇电路输出电压作为主电源电路输出端外的一输出负载电压。
18.该电路包括初始电压12v，降压dcdc，二极管
①
、
②
、
③
，超级电容，升压dcdc，电解电容，4v稳压器ldo，3.3v稳压器ldo，负载
①
、
②
；
19.初始电压12v经过降压dcdc后，输出并联两路，一路通过串联的二极管
①
、电解电容、5v升压dcdc、二极管
②
接5v输出节点，作为从电路；另一路通过二极管
③
接5v输出节点，作为供电主路；5v输出节点接三路，一路接电解电容，一路通过4v稳压器ldo接负载
①
，一路通过3.3v稳压器ldo接负载
②
；
20.设负载
①
所需工作电压为4v，负载
②
所需工作电压为3.3v；将初始电压12v通过降压dcdc转化为5v，一路通过二极管
①
向串联的超级电容供电；一路作为主要电源，经稳压器ldo分别转化为4v和3.3v，为负载供电；
21.在断电后，超级电容经过dcdc升压电路，将电压抬升并保持在5v，为负载供电。
22.该电路包括初始电压12v，降压dcdc，二极管
①
、
②
、
③
，超级电容，3.8v升压dcdc，电解电容，3.3v稳压器ldo，负载
①
、
②
；
23.初始电压12v经过降压dcdc后，输出并联两路，作为供电主路，一路通过串联的二极管
①
、超级电容、3.8v升压dcdc、二极管
②
接4v输出节点；作为从电路，另一路通过二极管
③
接4v输出节点；4v输出节点接三路，一路接电解电容，一路接负载
①
，一路通过3.3v稳压器ldo接负载
②
；
24.超级电容在4v输出节点的输出电压低于二极管
③
在4v输出节点的输出电压；
25.4v输出节点的输出电压为负载
①
的电压；
26.降压dcdc将12v转为4.1v，一路作为供电主路，一路为超级电容供电；
27.供电主路经过二极管
③
，直接为负载
①
提供电压，同时经过ldo，将4.1v转为3.3v，为负载
②
供电。
28.4.1v经过二极管
①
和负载电阻，为超级电容充电。
29.保证辅路和主路的电压差为0.2v。
30.主路电源，包括芯片uq1，其脚2接vcc电源及12v输入电源，12v电压输入通过并联电容cq1、cq2接地；脚3通过电阻rq1接入12v，通过电阻rq2接地；脚4通过电容cq3接地，脚6通过电容cq4接地，脚6通过串联的电阻rq3、rq4、电容cq4接地，脚5通过电阻输出4v且通过电阻rq7接地，脚7接地，脚1通过串联电阻rq6及电容cq6接脚8，脚8通过lq1输出电压4v；从而实现12v电源稳定安全可靠的输出4v电压。
31.超电充电路至少包括两个方案；其一包括二极管de1，电阻re1-6；电容e1、e2，cap；电阻r1-r4组成电桥；电容e1、e2串联后一端接地，另一端接cap端，电容e1、e2分别旁接电阻re5、re6；
32.4v通过串联的二极管de1、电桥后，分别给电容e1、e2充电并接cap端；从而实现给超级电容充电；
33.其二包括芯片uq2，其脚1接4v输入，4v输入还通过并联电容cq21、q22接地且还通过电容rq21接脚3，脚2接地，脚3通过电阻rq22接地，脚4通过电阻rq23接地且通过电阻接2v6测试点，脚5一路通过并联电容cq23、cq24接地，一路接2v6测试点；2v6测试点通过二极管dq21后，通过并联的电阻re1、2后，一路接cap端，一路通电容e1后接地；
34.4v通过芯片uq2后，分别给电容e1充电并接cap端；从而实现给超级电容充电。
35.超电放电电路，用于超电充电路的输出电压抬升并输出，其包括芯片uq3，其脚1、3
分别接cap端点；脚2接地，脚2、3连接有rq32，脚3通过rq31输出3.8v，脚4输出3.3v，脚4通过电阻rq33接地，脚5接地及接t3v8测试端，脚5接3.8v，脚5通过并联电容cq33、34接地；从而实现超级电容1.5v-3.9v输出电压3.8v。
36.主路与超电交汇电路，包括二极管dq12；超电放电电路输出的3.8v及主路电源输出的4v经过二极管dq12后，汇集到输出节点，输出节点一路通过电解电容e3接地，一路输出3.75v，一路电连接有主电源电路。
37.主电源电路包括芯片uq5，通过电阻rq51接芯片uq5的脚1，脚1通过电阻rq52接地，脚2接地；脚4一路接3.75v输出，一路通过对应隔离电容后接地；脚5一路接3.3v输出及3v3测试点，一路通过对应隔离电容接地。
38.一种基于超级电容的停电后持续供电控制方法，首先，将初始电压12v通过降压dcdc转化为5v或4v，一路通过二极管
①
向超级电容供电，一路作为主要电源，经稳压器ldo分别转化为3.3v为负载供电或直接给负载供电；然后，在断电后，超级电容经过dcdc升压电路，将电压抬升并保持，为负载供电；
39.其中，通过二极管
①
防止掉电后，超级电容的电压倒流。
40.本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。
附图说明
41.图1是本发明的实施例1超级电容电路示意图。
42.图2是本发明的实施例2的两电容串联供电框图。
43.图3是本发明的实施例2的改进后两电容串联供电框图。
44.图4是本发明的主路电源的原理示意图。
45.图5是本发明的主路与超电交汇电路示意图。
46.图6是本发明的超电放电电路示意图。
47.图7是本发明的超电充电串联电路示意图。
48.图8是本发明的超电充电单电容电路示意图。
具体实施方式
49.如图1-8，作为实施例1，针对要求两种工作电压的超级电容电路，本实施例电路如下图1所示。该电路包括初始电压12v，降压dcdc，二极管
①
、
②
、
③
，超级电容，升压dcdc，电解电容，4v稳压器ldo，3.3v稳压器ldo,负载
①
、
②
；
50.初始电压12v经过降压dcdc后，输出并联两路，一路通过串联的二极管
①
、电解电容、5v升压dcdc、二极管
②
接5v输出节点，作为从电路；另一路通过二极管
③
接5v输出节点，作为供电主路；5v输出节点接三路，一路接电解电容，一路通过4v稳压器ldo接负载
①
，一路通过3.3v稳压器ldo接负载
②
；
51.设负载
①
所需工作电压为4v，负载
②
所需工作电压为3.3v；首先，将初始电压(假设12v)通过降压dcdc转化为5v，一路通过二极管
①
向串联的超级电容供电；一路作为主要电源，经稳压器ldo分别转化为4v和3.3v，为负载供电。在断电后，超级电容经过dcdc升压电路，将电压抬升并保持在5v，为负载供电。
52.本实施例虽然可以满足两路供电，但是其供电流程有以下缺点：主路电源与从路电源(超级电容供电)都是5v，在正常上电工作时，可能会由从路电源供电。若负载
①
功耗较大，则5v转4v的ldo可能会因为压差太小，无法正常工作。
53.作为实施例2，解决实施例1的两个问题外，还可优化电路，节省器件。
54.本实施例在实施例1的基础上改进如下，
55.该电路包括初始电压12v，降压dcdc，二极管
①
、
②
、
③
，超级电容，3.8v升压dcdc，电解电容，3.3v稳压器ldo,负载
①
、
②
；
56.初始电压12v经过降压dcdc后，输出并联两路，作为供电主路，一路通过串联的二极管
①
、超级电容、3.8v升压dcdc、二极管
②
接4v输出节点；作为从电路，另一路通过二极管
③
接4v输出节点；4v输出节点接三路，一路接电解电容，一路接负载
①
，一路通过3.3v稳压器ldo接负载
②
；
57.超级电容在4v输出节点的输出电压低于二极管
③
在4v输出节点的输出电压；
58.4v输出节点的输出电压为负载
①
的电压；
59.使用dcdc将12v转为4.1v，一路作为供电主路，一路作为从电路为超级电容供电。
60.供电主路经过二极管
③
，直接为负载
①
提供电压，同时经过ldo，将4.1v转为3.3v，为负载
②
供电。
61.为超级电容供电的一路，4.1v经过二极管
①
和负载电阻，为超级电容充电。同时超级电容后路的3.8v升压dcdc设置输出值为3.9v，保证辅路和主路的电压差为0.2v，在正常供电时，由主路电源为各个负载供电。
62.作为实施例2的具体介绍，图2与图3为改进后的两电容串联后的供电图，下面分别对两电路工作原理进行介绍。
63.图2为在图1基础上改良出的电路。12v电源经升压dcdc电路后，转为4v电压。此4v电压经过二极管
①
为超级电容供电。这里二极管
①
的作用是防止掉电后，超级电容的电压倒流。此时超电的充电电压为4v减去二极管上的压降，有3.8v左右。所以超级电容充满电的电压最大为3.8v。为了为后级电路提供稳定的电压，用升压dcdc，将掉电后逐渐下降的超级电容的电压，抬升至3.8v。抬升的电压经过二极管
②
，与主路电压交汇，为后级电路供电。此处二极管
②
的作用是防止供电主路的输出电压的倒灌，损坏升压dcdc芯片。
64.另一路的供电主路的4v电压则经过二极管
③
，与旁路过来的3.8v电压交汇在4v输出节点。此处的二极管
③
的作用是，防止掉电后超电放电的电压倒灌，损坏12v转4v的dcdc芯片。在交汇处放有一电解电容，作用是防止掉电瞬间，对后级电路的供电产生较大波动。
65.4v输出节点，即交汇后的4v(3.8v)电压直接为负载
①
供电，同时经ldo转为3.3v，为负载
②
供电。改进后的电路不仅解决了常规供电流程的两个问题，而且还可以节省电路，节约成本，降低pcb的布局和布线难度。
66.实施例2进一步改进，作为供电主路的主路电源，包括芯片uq1，其脚2接vcc电源及12v输入电源，12v电压输入通过并联电容cq1、cq2接地；脚3通过电阻rq1接入12v，通过电阻rq2接地；脚4通过电容cq3接地，脚6通过电容cq4接地，脚6通过串联的电阻rq3、rq4、电容cq4接地，脚5通过电阻输出4v且通过电阻rq7接地，脚7接地，脚1通过串联电阻rq6及电容cq6接脚8，脚8通过lq1输出电压4v；从而实现12v电源稳定安全可靠的输出4v电压；
67.超电充电路有两个方案，其一包括二极管de1，电阻re1-6；电容e1、e2，cap；电阻
r1-r4组成电桥；电容e1、e2串联后一端接地，另一端接cap端，电容e1、e2分别旁接电阻re5、re6；
68.4v通过串联的二极管de1、电桥后，分别给电容e1、e2充电并接cap端；从而实现给超级电容充电；
69.其二，其包括芯片uq2，其脚1接4v输入，4v输入还通过并联电容cq21、q22接地且还通过电容rq21接脚3，脚2接地，脚3通过电阻rq22接地，脚4通过电阻rq23接地且通过电阻接2v6测试点，脚5一路通过并联电容cq23、cq24接地，一路接2v6测试点；2v6测试点通过二极管dq21后，通过并联的电阻re1、2后，一路接cap端，一路通电容e1后接地。
70.4v通过芯片uq2后，分别给电容e1充电并接cap端；从而实现给超级电容充电；其电流稳定，信号稳定，实现定点测试，将电压从4v给电容充电，输出2.5v。
71.超电放电电路，用于超电充电路的输出电压抬升并输出，其包括芯片uq3，其脚1、3分别接cap端点；脚2接地，脚2、3连接有rq32，脚3通过rq31输出3.8v，脚4输出3.3v，脚4通过电阻rq33接地，脚5接地及接t3v8测试端，脚5接3.8v，脚5通过并联电容cq33、34接地；从而实现超级电容1.5v-3.9v输出电压3.8v，实现稳定放电，从而实现了抬升超级电容电压，安全可靠，设计安全合理。
72.cap端通过lq31接脚1。
73.主路与超电交汇电路，包括二极管dq12；超电放电电路输出的3.8v及主路电源输出的4v经过二极管dq12后，汇集到输出节点，输出节点一路通过电解电容e3接地，一路输出3.75v，一路电连接有主电源电路；
74.主电源电路包括芯片uq5，主路与超电交汇电路通过电阻rq51接芯片uq5的脚1，脚1通过电阻rq52接地，脚2接地；脚4一路接3.75v输出，一路通过对应隔离电容后接地；脚5一路接3.3v输出及3v3测试点，一路通过对应隔离电容接地，从而实现持续多负载供电。
75.图3为基于图2思想，延伸出的另一种供电方案。这种方案中，使用了一个超级电容，更适合pcb布局空间狭小的情况。下面对这种方案进行介绍。
76.同样12v电压经过dcdc转为4v。4v电压经过ldo转为2.5v后，再经二极管
①
，为超级电容供电。后面一个升压dcdc将超级电容的电压稳定抬升至3.8v，经二极管
②
后，与主路电压交汇，为后级电路供电。
77.另一路4v电压经过二极管
③
，与旁路的3.8v交汇后，同样为后级电路供电。在正常供电时，由主路的4v电压进行供电。当掉电后，有超级电容抬升出的3.8v为负载供电。与图2电路类似，4v(3.8v)直接为负载
①
供电。4v(3.8v)经ldo降至3.3v后，为负载
②
供电。
78.图4的供电方案与图2相比，仅在旁路的超级电容电路部分做出改变。一来省去了一个超级电容，节省了pcb空间(虽然增加了一个ldo电路)；二来图4方案可以为超级电容充电的较为充分。在实际应用中，可以根据实际情况进行选择。若空间不足而板面积较大，可以使用图4方案；若空间足够而板面积较小，可以使用图2方案。
79.本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一列举。
80.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替
换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。