CN104269898A - 一种超级电容的充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超级电容充电技术领域，本发明提供一种超级电容的充电装置，包括输入电路、直流转换电路、预充电控制电路、电压反馈电路以及电流反馈电路；直流转换电路用于对直流电压进行直流转换，当超级电容当前电压低于预设值时，此时，恒流恒压电路还无法满足工作条件，预充电控制电路控制PWM信号为电容进行充电以使电容的电压值达到第一预设值；电流反馈电路使直流转换电路对电容进行恒流充电并使电容的电压值达到第二预设值；电压反馈电路使直流转换电路对电容进行恒压充电，该充电方式实现了超级电容的快速充电，不会产生自激现象，提高了电流采样的精度和抗干扰能力。

Description

一种超级电容的充电装置

技术领域

本发明涉及电容充电技术领域，尤其涉及一种超级电容的充电装置。

背景技术

目前，在对大电容进行充电的技术方案中，一种技术方案为采用芯片供应商提供的模块，但是该模块的价格较高；另一种技术方案为采用串联二极管和电阻对电容进行充电，该技术方案的缺点是仅适合于小电流的情况，当采用1A以上的电流充电时，会使限流电阻的发热量过大，不适合于长时间充电。第三种技术方案是通过串联电阻检测电流，并通过运算放大器放大电压倍数，组成恒压恒流电路，如图1所示，在该电路中，控制芯片、电感L1以及二极管D1组成常用的DC-DC电压转换电路，并采样电阻RCS、运放LM321以及二极管DZ1组成恒流反馈电路，该电路的缺点是采样电阻RCS和运放LM321组成的电路为低端电流采样电路，采样的电流精度低，导致恒流精度低，并且，运放LM321由于两端并联电阻R13和R14，导致运放LM321与采样电阻RCS之间的距离较远，该种布线方式很容易产生自激现象。综上所述，现有技术中存在由于采用低端电流采样电路采样的电流精度低导致恒流精度低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超级电容的充电装置，旨在解决针对现有技术中存在的由于采用低端电流采样电路采样的电流精度低导致恒流精度低的问题。

本发明是这样实现的，一种超级电容的充电装置，包括输入电路、预充电控制电路、直流转换电路、电压反馈电路以及电流反馈电路；

所述输入电路用于向所述直流转换电路输入直流电压；

所述直流转换电路用于对所述直流电压进行直流转换，并对所述超级电容充电；

所述预充电控制电路在当直流转换电路的输出电压小于第一预设值时，向所述直流转换电路输入PWM控制信号使所述直流转换电路对所述超级电容进行脉冲充电，直至使所述超级电容的电压值达到第一预设值；

所述电流反馈电路采集所述直流转换电路的输出电流，并将所述输出电流转换成第一反馈电压，将所述第一反馈电压输出给所述直流转换电路，使所述直流转换电路对所述超级电容进行恒流充电并使所述超级电容的电压值达到第二预设值；

所述电压反馈电路采集直流转换电路输出的电压得到第二反馈电压，并将所述第二反馈电压输出给所述直流转换电路，使所述直流转换电路对所述超级电容进行恒压充电。

所述电流反馈电路包括电流采样电阻、电流镜和电压转化电路；

所述电流采样电阻位于所述直流转换电路与所述电容之间；

所述电流镜通过所述电流采样电阻采集所述直流转换电路的输出电流，并将采集的电流发送给所述电压转换电路；

所述电压转换电路将所述电流镜输出的电流转换成第一反馈电压，并将所述第一反馈电压发送给所述直流转换电路。

所述电流反馈电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阳极和所述电压转换电路的输出端，所述第一二极管的阴极连接所述第二二极管的阴极和所述直流转换器的电压反馈端。

所述预充电控制电路包括第一电解电容、开关管以及第一电阻，所述第一电解电容的正极为所述预充电控制电路的充电输入端和第一输出端，所述第一电解电容的负极接地，所述预充电控制电路的第一输出端连接所述直流转换电路的充电输入端，所述第一电解电容的正极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述开关管的输出端，所述第一电阻的第二端为所述输出电路的第二输出端，所述预充电控制电路的第二输出端连接所述直流转换电路的控制端，所述开关管的控制端为所述输入电路的充电使能端，所述开关管的输出端接地。

所述直流转换电路包括直流转换器、二极管、第一电感、第二电解电容以及第三电容，所述直流转换器的充电输入端连接所述预充电控制电路的第一输出端，所述直流转换器的使能端连接所述预充电控制电路的第二输出端，所述直流转换器的反馈端连接所述电压反馈电路的输出端和所述电流反馈电路的输出端，所述二极管的阴极连接所述直流转换器的输出端和所述第一电感的第一端，所述二极管的阳极接地，所述第一电感的第二端连接所述电流采样电阻的第一端、所述第二电解电容的第一端以及所述第三电容的第一端，所述第二电解电容的第二端和所述第三电容的第二端接地。

所述直流转换电路包括直流转换器、第二电感、第二电解电容以及第三电容，所述直流转换器的充电输入端连接所述预充电控制电路的第一输出端，所述直流转换器的使能端连接所述预充电控制电路的第二输出端，所述直流转换器的反馈端连接所述电压反馈电路的输出端和所述电流反馈电路的输出端，所述第二电感的第二端连接所述电流采样电阻的第一端、所述第二电解电容的第一端以及所述第三电容的第一端，所述第二电解电容的第二端和所述第三电容的第二端接地。

所述电压反馈电路包括第二电阻和第三电阻，所述第二电阻的第一端连接所述电流采样电阻的第二端，所述第二电阻的第一端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端接地，所述第三电阻的第一端连接所述直流转换器的电压反馈端。

所述充电装置还包括保险管，所述保险管的一端连接所述采样电阻，所述保险管的另一端连接所述超级电容。

所述电流镜与所述电流采样电阻邻近设置在电路板上。

本发明提供的一种超级电容的充电装置，通过设置预充电控制电路当超级电容当前电压低于预设值时控制PWM信号为超级电容进行充电以使电容的电压值达到第一预设值，再控制直流转换电路对超级电容进行恒压恒流充电，该充电方式实现了超级电容的快速充电，并且不会产生自激现象。

本发明提供的一种超级电容的充电装置，通过在常用的直流电压转换电路中，增加电流镜像式的电压转换电路，形成的高端电流采样反馈回路，实现恒压恒流功能，并且提高了电流采样的精度和抗干扰能力，由于电流镜可直接连接电流采样电阻，不需要与其他元器件连接，因此可以实现更好的布线方式，即将电流采样电阻与电流镜靠近放置，由于采样电阻到电流镜像电路的连线很短，不会产生自激现象，解决了现有技术中存在的由于采用低端电流采样电路采样的电流精度低导致恒流精度低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的电容的充电装置的结构示意图；

图2是本发明一种实施例提供的超级电容的充电装置的结构示意图；

图3是本发明一种实施例提供的超级电容的充电装置的电路结构图

图4是本发明另一种实施例提供的超级电容的充电装置的电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明一种实施例提供一种超级电容的充电装置，如图2所示，包括输入电路101、预充电控制电路111、直流转换电路103、电压反馈电路108以及电流反馈电路110；

输入电路101用于向直流转换器102输入直流电压；

直流转换电路103用于对直流电压进行直流转换，并对超级电容105充电；

预充电控制电路111在当直流转换电路103的输出电压小于第一预设值时，向直流转换电路103输入PWM控制信号使直流转换电路103对超级电容105进行脉冲充电，直至使超级电容105的电压值达到第一预设值；

电流反馈电路110采集直流转换电路103的输出电流，并将输出电流转换成第一反馈电压，将第一反馈电压输出给直流转换电路103，使直流转换电路103对超级电容105进行恒流充电并使超级电容105的电压值达到第二预设值；

电压反馈电路108采集直流转换电路输出的电压得到第二反馈电压，并将第二反馈电压输出给直流转换电路103，使直流转换电路103对超级电容105进行恒压充电。

进一步地，电流反馈电路110包括电流采样电阻104、电流镜106和电压转化电路107；

电流采样电阻104位于输出电路103与超级电容105之间；

电流镜106通过电流采样电阻104采集输出电路103的输出电流，并将采集的电流发送给电压转换电路107；

电压转换电路107将电流镜输出的电流转换成第一反馈电压，并将第一反馈电压发送给直流转换电路103。

其中，对于输入电路101，其主要目的是在充电控制信号的作用下为直流转换电路103输入直流电压。

具体的，如图2所示，预充电控制电路111包括第一电解电容C1、开关管M1以及第一电阻R1，第一电解电容C1的正极为预充电控制电路111的充电输入端和第一输出端，第一电解电容C1的负极接地，预充电控制电路111的第一输出端连接直流转换电路103的充电输入端，第一电解电容C1的正极连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接开关管M1的输入端，第一电阻R1的第二端为输出电路103的第二输出端，输出电路103的第二输出端连接直流转换器102的控制端，开关管M1的控制端为输入电路101的充电使能端，开关管M1的输出端接地。

预充电控制电路111根据控制信号控制开关管M1导通或关断输出PWM控制信号以控制直流转换器102输出直流电压。

预充电控制电路111可以包括微处理器(MCU)，该MCU可以包括中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、只读存储模块(read-onlymemory，ROM)、随机存储模块(random access memory，RAM)、定时模块、数字模拟转换模块(A/D converter)、以及复数输入/输出。当然，预充电控制电路111也可以采用其它形式的集成电路，如：特定用途集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)或现场可程序化门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)等。优选的，预充电控制电路111为单片机。

进一步地，电流镜106与电流采样电阻104邻近设置在电路板上。

对于电流反馈电路110中的电流镜106，采用三端电流镜像集成电路，可以高精度的采集输出电路的输出电流，并且可以很好地与电流采样电阻靠近放置，由于采样电阻到电流镜像电路的连线很短，不会产生自激现象，可以进一步提高精度和提高抗干扰能力。

进一步地，电流反馈电路110还包括第一二极管D1和第二二极管D2，第一二极管D1的阳极连接第二二极管D2的阳极和电压转换电路107的输出端，第一二极管D1的阴极连接第二二极管D2的阴极和直流转换器102的电压反馈端。

其中，第一二极管D1和第二二极管D2并联，用于增大导通电流，满足大电流需要。

具体的，电压转换电路107为第四电阻R4，用于将电流镜106输出的电流转换成第一反馈电压，并将第一反馈电压发送给直流转换电路102。

进一步地，如图3所示，一种实施方式中直流转换电路103包括直流转换器102、二极管DZ1、第一电感L1、第二电解电容C2以及第三电容C3，直流转换器102的充电输入端连接预充电控制电路111的第一输出端，直流转换器102的反馈端连接电压反馈电路的输出端和电流反馈电路的输出端，二极管DZ1的阴极连接直流转换器102的输出端和第一电感L1的第一端，二极管DZ1的阳极接地，第一电感L1的第二端连接电流采样电阻RCS的第一端、第二电解电容C2的第一端以及第三电容C3的第一端，第二电解电容C2的第二端和第三电容C3的第二端接地。

其中，二极管DZ1、第一电感L1、第二电解电容C2以及第三电容C3用于形成实现直流转换器恒压输出的BUCK电路。

如图4所示，另一种实时方式中，直流转换电路103包括直流转换器112、第二电感L2、第二电解电容C2以及第三电容C3，直流转换器112的充电输入端连接输入电路101的第一输出端，直流转换器112的使能端连接预充电控制电路111的第二输出端，直流转换器112的反馈端连接电压反馈电路108的输出端和电流反馈电路110的输出端，第二电感L2的第二端连接电流采样电阻RCS1和RCS2的第一端、第二电解电容C2的第一端以及所述第三电容C3的第一端，第二电解电容C2的第二端和第三电容C3的第二端接地。

进一步地，电压反馈电路108包括第二电阻R2和第三电阻R3，第二电阻R2的第一端连接电流采样电阻RCS的第二端，第二电阻R2的第一端连接第三电阻R3的第一端，第三电阻R3的第二端接地，第三电阻R3的第一端连接直流转换器102的电压反馈端。

其中，第二电阻R2和第三电阻R3用于对输出电路103的输出电压进行分压，并向直流转换器102提供第二反馈电压。

进一步地，充电装置还包括第二二极管DZ2，第二二极管DZ2的阳极连接采样电阻RCS，第二二极管DZ2的阴极连接电容。

第二二极管DZ2的目的是用于当停止为电容提供输出电压时，防止电容的电流倒灌进入充电装置的作用。

进一步地，充电装置还包括保险管，保险管的一端连接采样电阻RCS，保险管的另一端连接电容。

设置保险管的目的是当电路工作异常出现过流现象时，具有自动断开保护电容的功能。

本发明提供的一种电容的充电装置中，PWM控制的原理如下：

当输出的超级电容电压为0时，该电路是无法工作的，原因是直流转换器上的FB端的反馈电压不能为零，因此，需要在输出电压为0的情况下，采用PWM控制直流转换器的使能端，控制直流转换器一会开启一会关闭，类似脉冲的通电方式，让超级电容的电压上升到第一预设值，例如3伏，然后再根据有电流镜组成的电流反馈电路实现恒流充电让超级电容的电压上升到第二预设值，再根据电压反馈电路实现恒压充电。

本发明提供的一种电容的充电装置，在直流变换器和电压反馈电路组成的电路的基础上增加了电流反馈电路，电流反馈电路通过采样电阻、电流镜像以及电压转换电路组成高精度的电流采样电路，其中，电流采样电路与输出电路中的二极管并联到DC-DC反馈电路上，组成了恒流电路，并且在电路中还串联第二二极管和自恢复保险管，以组成防电流倒灌和异常限流电路。

本发明提供的一种电容的充电装置，与现有技术相比，现有技术中采用运放等放大电路，采样电阻离放大电路连线比较长，由于采样电阻两端的电压大概在100mv左右，引入的噪声就会在10mv的数量级，检测精度会比较差，布线难度大。本发明通过在常用的直流电压转换电路中，增加电流镜像式的电压转换电路，形成的高端电流采样反馈回路，实现恒压恒流功能，由于电流镜可直接连接电流采样电阻，不需要与其他元器件连接，因此可以实现更好的布线方式，即将电流采样电阻与电流镜靠近放置，由于采样电阻到电流镜像电路的连线很短，不会产生自激现象，提高电流采样的精度和抗干扰能力。

需要注意的是，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种超级电容的充电装置，其特征在于：包括输入电路、预充电控制电路、直流转换电路、电压反馈电路以及电流反馈电路；

所述输入电路用于向所述直流转换电路输入直流电压；

所述直流转换电路用于对所述直流电压进行直流转换，并对所述超级电容充电；

所述预充电控制电路在当直流转换电路的输出电压小于第一预设值时，向所述直流转换电路输入PWM控制信号使所述直流转换电路对所述超级电容进行脉冲充电，直至使所述超级电容的电压值达到第一预设值；

所述电流反馈电路采集所述直流转换电路的输出电流，并将所述输出电流转换成第一反馈电压，将所述第一反馈电压输出给所述直流转换电路，使所述直流转换电路对所述超级电容进行恒流充电并使所述超级电容的电压值达到第二预设值；

所述电压反馈电路采集直流转换电路输出的电压得到第二反馈电压，并将所述第二反馈电压输出给所述直流转换电路，使所述直流转换电路对所述超级电容进行恒压充电。

2.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述电流反馈电路包括电流采样电阻、电流镜和电压转化电路；

所述电流采样电阻位于所述直流转换电路与所述电容之间；

所述电流镜通过所述电流采样电阻采集所述直流转换电路的输出电流，并将采集的电流发送给所述电压转换电路；

所述电压转换电路将所述电流镜输出的电流转换成第一反馈电压，并将所述第一反馈电压发送给所述直流转换电路。

3.如权利要求2所述的充电装置，其特征在于，所述电流反馈电路还包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极连接所述第二二极管的阳极和所述电压转换电路的输出端，所述第一二极管的阴极连接所述第二二极管的阴极和所述直流转换器的电压反馈端。

4.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述预充电控制电路包括第一电解电容、开关管以及第一电阻，所述第一电解电容的正极为所述预充电控制电路的充电输入端和第一输出端，所述第一电解电容的负极接地，所述预充电控制电路的第一输出端连接所述直流转换电路的充电输入端，所述第一电解电容的正极连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述开关管的输出端，所述第一电阻的第二端为所述输出电路的第二输出端，所述预充电控制电路的第二输出端连接所述直流转换电路的控制端，所述开关管的控制端为所述输入电路的充电使能端，所述开关管的输出端接地。

5.如权利要求4所述的充电装置，其特征在于，所述直流转换电路包括直流转换器、二极管、第一电感、第二电解电容以及第三电容，所述直流转换器的充电输入端连接所述预充电控制电路的第一输出端，所述直流转换器的使能端连接所述预充电控制电路的第二输出端，所述直流转换器的反馈端连接所述电压反馈电路的输出端和所述电流反馈电路的输出端，所述二极管的阴极连接所述直流转换器的输出端和所述第一电感的第一端，所述二极管的阳极接地，所述第一电感的第二端连接所述电流采样电阻的第一端、所述第二电解电容的第一端以及所述第三电容的第一端，所述第二电解电容的第二端和所述第三电容的第二端接地。

6.如权利要求4所述的充电装置，其特征在于，所述直流转换电路包括直流转换器、第二电感、第二电解电容以及第三电容，所述直流转换器的充电输入端连接所述预充电控制电路的第一输出端，所述直流转换器的使能端连接所述预充电控制电路的第二输出端，所述直流转换器的反馈端连接所述电压反馈电路的输出端和所述电流反馈电路的输出端，所述第二电感的第二端连接所述电流采样电阻的第一端、所述第二电解电容的第一端以及所述第三电容的第一端，所述第二电解电容的第二端和所述第三电容的第二端接地。

7.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述电压反馈电路包括第二电阻和第三电阻，所述第二电阻的第一端连接所述电流采样电阻的第二端，所述第二电阻的第一端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端接地，所述第三电阻的第一端连接所述直流转换器的电压反馈端。

8.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述充电装置还包括保险管，所述保险管的一端连接所述采样电阻，所述保险管的另一端连接所述超级电容。

9.如权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述电流镜与所述电流采样电阻邻近设置在电路板上。