一種長壽高效Boost超級電容掉電保持后備電源

1 引言

　　測量儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及機器人等重要單元或關鍵部件需在非正常掉電時進行狀態(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計了高效、大電流Boost 掉電后備電源。

　　2 超級電容容量和拓撲的選取

　　該電源實現(xiàn)短時掉電保護，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撲，在經(jīng)濟性、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撲，主要技術(shù)指標如下：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，該設計由5V 電源供電，并同時給超級電容進行充電。當外接電源掉電后，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行均壓。

　　3 后備電源主功率設計

　　3.1 主功率拓撲的設計

　　主功率電路的拓撲結(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 拓撲以及LC 濾波三個部分。

　　Boost 功率拓撲中，電感和MOSFET 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)。

圖 1 主功率電路原理圖

圖 2 控制驅(qū)動原理圖

3.2 驅(qū)動控制設計

圖 3 關斷電路的原理圖

　　4 可靠關斷電路設計

　　任務完成后能可靠下電，即下電電壓迅速且是單調(diào)下降的，關斷電路的原理如圖 3 所示，主要包括TL431 基準電路，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 時電路關斷。