一種超級電容大電流充放電電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種超級電容大電流充放電電路，包括兩組充電管理電路和兩組超級電容組，其中，第一充電管理電路與第一超級電容組連接，第一超級電容組與電流平衡電路相連接；第二充電管理電路與第二超級電容組連接，第二超級電容組與電流平衡電路相連接；電流平衡電路與負(fù)載相連接。本實(shí)用新型通過第一充電管理電路和第一超級電容組，第二充電管理電路和第二超級電容組形成兩套功能協(xié)調(diào)工作，能夠滿足大電流使用的場合，再通過電流平衡電路可有效平衡放電時(shí)兩套功能系統(tǒng)的電壓差，本實(shí)用新型電路不僅提高充電電流，而且通過增加供能儲能電路，間接倍增了充電電流，也就提高了供能效率，組合電路實(shí)現(xiàn)了更大電流充放電。
【專利說明】—種超級電容大電流充放電電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及電子電路領(lǐng)域，具體涉及一種超級電容大電流充放電電路。

【背景技術(shù)】
[0002]在電子產(chǎn)品中，常常會(huì)使用超級電容組進(jìn)行儲能，為后級供電的情況，超級電容的優(yōu)點(diǎn)是功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，這些特性使得超級電容非常適合于需要快速提供大功率輸出的場合。超級電容已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子、綠色新電源、航空等多種領(lǐng)域，其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性得到了驗(yàn)證。成功的案例包括上海推出的超級電容公交車，采用超級電容作為動(dòng)力來源；Airbus空中客車公司在A380上采用了 100F的超級電容為登機(jī)門、應(yīng)急門提供動(dòng)力。
[0003]在常見的電路設(shè)計(jì)中，基本都采用充電管理電路對超級電容充電，負(fù)載需要供能時(shí)由超級電容放電來實(shí)現(xiàn)，供能的因素涉及到負(fù)載需求能量的周期、每周期需求能量多少、每周期充入的能量以及高溫等惡劣環(huán)境下的充放電效率等。
[0004]其中超級電容組中的超級電容可通過并聯(lián)實(shí)現(xiàn)容量的擴(kuò)展，也可以通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)電壓的升高(普通的超級電容滿電電壓為2.7V)，數(shù)量越多，容量越大，可存儲的能量也越多，在后段單位時(shí)間需求能量較多的情況下，提高存儲容量更能滿足能量需求，但也同時(shí)對單位時(shí)間充入的能量也提出了相應(yīng)要求，即對充放電電能力的要求。
[0005]在超級電容通常應(yīng)用情況下，充放電周期都較長，從幾秒到到數(shù)分鐘數(shù)小時(shí)不等，如上面提到的“Airbus空中客車公司在A380上采用了 100F的超級電容為登機(jī)門、應(yīng)急門提供動(dòng)力”案例，案例中登機(jī)門與應(yīng)急門的開啟關(guān)閉頻率較低，有充足的時(shí)間進(jìn)行超級電容充電動(dòng)作，并且使用次數(shù)較少，超級電容采用容量冗余設(shè)計(jì)后，一次充電甚至可進(jìn)行多次開關(guān)們動(dòng)作。
[0006]但是，在一些特殊場合，例如本文中要介紹的與衛(wèi)星通信的天線部分的供能場合，此天線是用于北斗手持型用戶機(jī)的外置天線，承擔(dān)了手持機(jī)與北斗衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)信息交互的重要功能，并且對發(fā)射持續(xù)時(shí)間以及發(fā)射周期提出了明確要求，即對超級電容部分的單位時(shí)間內(nèi)供能以及充放電時(shí)間提出了挑戰(zhàn)。
[0007]在此天線中，要求超級電容在I秒頻度下，其中300mS輸出功率為29.7W，剩余700mS為發(fā)射間隙，用于充電管理電路對超級電容組進(jìn)行充能。且由于此天線能量供應(yīng)緊張的背景下，就對能量傳遞的效率提出了要求。在此關(guān)于超級電容組的能量選擇，作個(gè)簡單說明:通過計(jì)算可知，在發(fā)射時(shí)超級電容需要能夠輸出7A的電流。由于采用2個(gè)2并2串超級電容組并聯(lián)，減少電流的壓力，將每組電流壓力降到3.5A，即分配到每個(gè)電容單體的脈沖電流為1.75A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般超級電容的瞬沖電流指標(biāo)(此1F超級電容脈沖電流可以達(dá)到5.87A)，故，只要所選超級電容組大于10F，則可滿足放電能量需求。故對充放電能力要求與超級電容組容量并無直接關(guān)聯(lián)。
[0008]綜上，充電電流需達(dá)到2.4A才能滿足供能需求，在此就需要一種大電流充電電路來滿足后段能量需求，市面上普通的高效充電管理IC很難達(dá)到此大電流，如較突出的凌特的LC4425，在LDO模式工作時(shí)效率最高，但最大充電電流不大于2A，無法滿足要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供能夠很好的實(shí)現(xiàn)大電流充放電的一種超級電容大電流充放電電路。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種超級電容大電流充放電電路，包括兩組充電管理電路和兩組超級電容組，其中，第一充電管理電路與第一超級電容組連接，第一超級電容組與電流平衡電路相連接；第二充電管理電路與第二超級電容組連接，第二超級電容組與電流平衡電路相連接；電流平衡電路與負(fù)載相連接。
[0011]本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案的有益效果是:本實(shí)用新型通過第一充電管理電路和第一超級電容組，第二充電管理電路和第二超級電容組形成兩套功能協(xié)調(diào)工作，能夠滿足大電流使用的場合，再通過電流平衡電路可有效平衡放電時(shí)兩套功能系統(tǒng)的電壓差，本實(shí)用性電路并非單純提高充電電流，而是通過增加供能儲能電路，間接倍增了充電電流，也就提高了供能效率，組合電路實(shí)現(xiàn)了更大電流充放電。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型的電路工作方式結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為本實(shí)用新型第一充電管理電路及第一超級電容組電路圖。
[0014]圖3為本實(shí)用新型第二充電管理電路及第二超級電容組電路圖。
[0015]圖4為本實(shí)用新型放電電流平衡電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但不構(gòu)成對本實(shí)用新型的任何限制。
[0017]如圖2所示，所述第一充電管理電路主要由第五芯片，第十九電阻，第二十一電阻，第二十五電阻，第三十四電阻，第三十一電容，第二十電阻，第二十六電阻，第三十五電阻組成；所述第一超級電容組主要由第三十五超級電容，第三十六超級電容，第四十超級電容，第四i^一超級電容組成；電源通過網(wǎng)絡(luò)“VCharge_4.3V”與第五芯片的第11腳和第12腳相連接，同時(shí)通過第十九電阻與第五芯片的第9腳相連接，第9腳通過第二十一電阻與第7腳連接，第3腳與第三十四電阻相連接，第五芯片的第I腳與第2腳相連后與第一超級電容組的第三十五超級電容及第三十六超級電容相連接，同時(shí)連接到第二十六電阻，所述第二十六電阻另一端與第五芯片的第5腳相連接，同時(shí)與第三十五電阻相連接，第五芯片的第10腳與第一超級電容組的第四十超級電容及第四i^一超級電容相連接，第一超級電容組中第三十五超級電容與第四十超級電容串聯(lián)，第三十六超級電容與第四十一超級電容串聯(lián)，兩兩串聯(lián)后再并聯(lián)連接。
[0018]如圖3所示，第二充電管理電路與第一充電管理電路結(jié)構(gòu)組成相同、電路連接關(guān)系相同，第二超級電容組與第一超級電容組結(jié)構(gòu)組成相同、電路連接關(guān)系相同。
[0019]如圖4所示，所述電流平衡電路主要由第九芯片、第六MOS管、第九MOS管、第四十五電阻、第四十六電阻、第四十七電阻、第四十八電阻、第四十九電阻組成。第一超級電容組的供電與第九芯片的第13腳相連接，第二超級電容組的供電與第九芯片的第4腳相連接，第九芯片的第12腳與第六MOS管相連接，第九芯片的第5腳與第九MOS管相連接，第六MOS管的D腳與第九芯片的第10腳相連接，再與第四十五電阻相連接，第九MOS管的D腳與第九芯片的第7腳相連接，再與第四十六電阻相連接，第四十五電阻與第四十六電阻相連接后，再與T23相連接，第九芯片的第16腳與第四十八電阻相連接，第九芯片的第I腳與第四十九電阻相連接，第九芯片的第14腳與第四十七電阻相連接，第九芯片的第15腳及第17腳共同連接到電網(wǎng)絡(luò)。
[0020]在上述電路中，由于高溫條件下單體超級電容滿電電壓僅能到達(dá)2.1V，故對電容組設(shè)定充電輸出電壓在4.25V，通過R36，R35以及R38，R36來分別設(shè)置。且考慮到需要讓LT4425工作在LDO模式，輸入電壓需高于輸出電壓，故輸入電壓設(shè)定在4.3V。
[0021]上圖中的兩路能量存儲電路中，每路最大充電電流可達(dá)2A，按照要求每路需求
1.2A即可，所以可采取冗余設(shè)計(jì)，給系統(tǒng)留出足夠的冗余時(shí)間，保證穩(wěn)定工作。在此每路通過R34，R37電阻值來設(shè)定充電電流，均設(shè)定為1.22A。也能保證產(chǎn)生較少熱量耗散，提高傳遞效率。
[0022]在此需要電流平衡的功能，有兩種選擇:一種是直接采用LTC4370自動(dòng)完成平衡控制，外圍自由選擇Rds(ON)較小的MOS管即可；另一種是采用邏輯控制MOS管，也能實(shí)現(xiàn)平衡。第一種集成度高，精度好，靜態(tài)功耗小，成本較高；第二種需要邏輯控制電路，在外置天線中較難實(shí)現(xiàn)，且精度難控制，成本較低。綜合選擇，我們選取第一種方案。LTC4370能在0V—VDD電壓范圍，檢測兩端供電情況，動(dòng)態(tài)控制MOS管上壓差，實(shí)現(xiàn)電流上的平衡輸出。
[0023]此電流平衡電路LTC4370，主要是針對于防止兩組超級電容組同時(shí)對后段放電不平衡而選擇的。在兩組超級電容組同時(shí)對后段升壓電路放電時(shí)，由于充放電狀態(tài)差異，總會(huì)出現(xiàn)兩組超級電容組電壓不平衡的情況，繼而導(dǎo)致放電電流不能平衡，甚至?xí)绊懙絻山M電容組的電壓，故需要在放電時(shí)對放電電流進(jìn)行平衡，盡量調(diào)節(jié)減少兩組電容組的壓差，便于充放電管理。
[0024]外圍電路設(shè)定如下:
[0025]1、VCC腳可配置IC工作的電壓范圍，若VCC接0.1uF電容到地，則默認(rèn)為芯片工作電壓2.9V—6V ；VCC接一個(gè)電壓VDD則設(shè)定芯片工作電壓為OVVDD ;由于超級電容組可能會(huì)出現(xiàn)低于2.9V的情況，故在此選擇OV — VDD電壓范圍。
[0026]2、C0MP腳外接到地電容的容值選擇，規(guī)格書推薦容值為50*Ciss，由MOS管規(guī)格書得知Ciss = 1020pF，可得知容值應(yīng)為0.05uF,在此選擇0.1uF。
[0027]3,Vinl, Vin2外接到地電容容值規(guī)格書推薦為10*Ciss，計(jì)算得知為10.2nF,在此選擇15nF。
[0028]4, Range腳外接電阻到地，用于設(shè)置調(diào)節(jié)MOS管上壓差的范圍，可通過公式
[0029]VFE(MAX) = 10 μ A.ReAnge+Vfe(Min)計(jì)算得知，選取 30.1K 電阻，VFK_ =10uA*30.1K Ω+3.5Α*4.4mΩ = 316.4mV,表示設(shè)置的壓差最大調(diào)節(jié)范圍為316.4mV。
[0030]上述電路有效解決了為了增大供能需求而增加供能通路的情況下，放電時(shí)的平衡問題。
[0031]本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種超級電容大電流充放電電路，其特征在于:包括兩組充電管理電路和兩組超級電容組，其中，第一充電管理電路與第一超級電容組連接，第一超級電容組與電流平衡電路相連接；第二充電管理電路與第二超級電容組連接，第二超級電容組與電流平衡電路相連接；電流平衡電路與負(fù)載相連接。
【文檔編號】H02J7/00GK204144972SQ201420116683
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月14日
【發(fā)明者】張建, 陳根潮, 張育民 申請人:湖南芯豐微電子有限責(zé)任公司