一種掉電后備電源的設(shè)計(jì)方案

該電源實(shí)現(xiàn)短時(shí)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(zhǎng)的使用時(shí)間。采用Buck結(jié)構(gòu)，效率會(huì)有所提高，但會(huì)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(huì)有困難;采用高頻變壓器隔離的拓?fù)?，在?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(jí)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(shí)間10秒。由于掉電保護(hù)時(shí)間較短，功率元件降額使用不必太苛刻。

超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，在正常情況下，該設(shè)計(jì)由5V電源供電，并同時(shí)給超級(jí)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(jí)電容完成。在此設(shè)計(jì)中超級(jí)電容部分是由兩個(gè)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(gè)1M的電阻對(duì)兩支超級(jí)電容進(jìn)行均壓。

3 后備電源主功率設(shè)計(jì)

3.1 主功率拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

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(jí)電容，boost拓?fù)湟约癓C濾波三個(gè)部分。

Boost功率拓?fù)渲?，電感和MOSFET承受的電流較大，最大可到20A,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(huì)影響電壓增益，即存在最大占空比，當(dāng)占空比超過該值時(shí)，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(yàn)選擇濾波級(jí)數(shù)。本設(shè)計(jì)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)。

圖1 主功率電路原理圖

3.2 驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)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(dòng)MOSFET.

圖3 關(guān)斷電路的原理圖

4 可靠關(guān)斷電路設(shè)計(jì)

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(yùn)放比較電路兩部分，通過檢測(cè)超級(jí)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(shí)電路關(guān)斷。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在輸出為滿載5A和空載的條件下測(cè)試，輸出與控制占空比波形、電壓紋波以及關(guān)斷電壓波形分別如圖4、圖5和圖6所示，電壓管段波形如圖7所示。

圖4 空載輸出波形，電壓平均值為5.0V(左)滿載輸出波形，電壓平均值為4.98V(右)。

圖5 空載時(shí)，輸出電壓波形(2)和占空比波形(1)(左)滿載時(shí)，輸出電壓波形(2)和占空比波形(1)(右)。

圖6 空載時(shí)，輸出電壓紋波波形(左)滿載時(shí)，輸出電壓紋波波形(右)。

圖7 電壓關(guān)斷時(shí)的波形。

輸出空載時(shí)，電壓為5.0V,紋波峰-峰值50mV;輸出電流5A時(shí)，電壓穩(wěn)定，為4.98V,在完整工作期間紋波峰-峰值為150mV,負(fù)載調(diào)整率小于1%,占空比調(diào)節(jié)穩(wěn)定;關(guān)斷電路工作正常，可瞬間關(guān)斷輸出，波形單調(diào)，不產(chǎn)生振蕩，超級(jí)電容從5V下降至3.5V,可供設(shè)備以5A持續(xù)供電10s,滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文介紹了一種掉電后備電源的設(shè)計(jì)，采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件可長(zhǎng)期浮充，大電流放電，提高了使用壽命;采用升壓型拓?fù)?，?yōu)化了超級(jí)電容容量配置，可在5V@5A條件下，持續(xù)工作10s,并在電容因欠壓停止工作時(shí)，可迅速關(guān)斷輸出，輸出電壓?jiǎn)握{(diào)下降，不產(chǎn)生振蕩，滿足了大多數(shù)設(shè)備的需求。

導(dǎo)讀：文介紹了一種掉電后備電源的設(shè)計(jì)，采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件可長(zhǎng)期浮充，大電流放電，提高了使用壽命;采用升壓型拓?fù)?，?yōu)化了超級(jí)電容容量配置，可在5V@5A條件下可在5V@5A 條件下，持續(xù)工作10s,并在電容因欠壓停止工作時(shí)，可迅速關(guān)斷輸出，輸出電壓?jiǎn)握{(diào)下降，不產(chǎn)生振蕩，電性指標(biāo)滿足絕大。

1 引言

測(cè)量?jī)x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(shí)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(zhǎng)期浮充致使壽命減少，且需定期更換。超級(jí)電容器(Super Capacitor)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(diǎn)，可進(jìn)行高效率快速充放電，且可長(zhǎng)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(shí)用的能量?jī)?chǔ)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(jí)電容器設(shè)計(jì)了高效、大電流Boost掉電后備電源。

2 超級(jí)電容容量和拓?fù)涞倪x取

該電源實(shí)現(xiàn)短時(shí)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(zhǎng)的使用時(shí)間。采用Buck結(jié)構(gòu)，效率會(huì)有所提高，但會(huì)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(huì)有困難;采用高頻變壓器隔離的拓?fù)?，在?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)?，主要技術(shù)指標(biāo)如下：超級(jí)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(shí)間10秒。由于掉電保護(hù)時(shí)間較短，功率元件降額使用不必太苛刻。

超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，在正常情況下，該設(shè)計(jì)由5V電源供電，并同時(shí)給超級(jí)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(jí)電容完成。在此設(shè)計(jì)中超級(jí)電容部分是由兩個(gè)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(gè)1M的電阻對(duì)兩支超級(jí)電容進(jìn)行均壓。

3 后備電源主功率設(shè)計(jì)

3.1 主功率拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

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(jí)電容，boost拓?fù)湟约癓C濾波三個(gè)部分。

Boost功率拓?fù)渲?，電感和MOSFET承受的電流較大，最大可到20A,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(huì)影響電壓增益，即存在最大占空比，當(dāng)占空比超過該值時(shí)，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(yàn)選擇濾波級(jí)數(shù)。本設(shè)計(jì)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)。

圖1 主功率電路原理圖

圖2 控制驅(qū)動(dòng)原理圖

3.2 驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)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(dòng)MOSFET.

圖3 關(guān)斷電路的原理圖

4 可靠關(guān)斷電路設(shè)計(jì)

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(yùn)放比較電路兩部分，通過檢測(cè)超級(jí)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(shí)電路關(guān)斷。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在輸出為滿載5A和空載的條件下測(cè)試，輸出與控制占空比波形、電壓紋波以及關(guān)斷電壓波形分別如圖4、圖5和圖6所示，電壓管段波形如圖7所示。

圖4 空載輸出波形，電壓平均值為5.0V(左)滿載輸出波形，電壓平均值為4.98V(右)。

圖5 空載時(shí)，輸出電壓波形(2)和占空比波形(1)(左)滿載時(shí)，輸出電壓波形(2)和占空比波形(1)(右)。

圖6 空載時(shí)，輸出電壓紋波波形(左)滿載時(shí)，輸出電壓紋波波形(右)。

圖7 電壓關(guān)斷時(shí)的波形。

輸出空載時(shí)，電壓為5.0V,紋波峰-峰值50mV;輸出電流5A時(shí)，電壓穩(wěn)定，為4.98V,在完整工作期間紋波峰-峰值為150mV,負(fù)載調(diào)整率小于1%,占空比調(diào)節(jié)穩(wěn)定;關(guān)斷電路工作正常，可瞬間關(guān)斷輸出，波形單調(diào)，不產(chǎn)生振蕩，超級(jí)電容從5V下降至3.5V,可供設(shè)備以5A持續(xù)供電10s,滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文介紹了一種掉電后備電源的設(shè)計(jì)，采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件可長(zhǎng)期浮充，大電流放電，提高了使用壽命;采用升壓型拓?fù)?/strong>，優(yōu)化了超級(jí)電容容量配置，可在5V@5A條件下，持續(xù)工作10s,并在電容因欠壓停止工作時(shí)，可迅速關(guān)斷輸出，輸出電壓單調(diào)下降，不產(chǎn)生振蕩，滿足了大多數(shù)設(shè)備的需求。