本發(fā)明具體涉及一種超級(jí)電容充電電路、充電方法及其暫態(tài)錄波型故障指示器。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，電氣或電子設(shè)備的不間斷供電要求也越來越多。而多電源供電技術(shù)作為不間斷供電的核心技術(shù)，已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。而超級(jí)電容以其功率密度高、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)推出就受到了人們的廣泛青睞，在多電源供電技術(shù)中牢牢占據(jù)了備用電源的位置。

現(xiàn)在已經(jīng)有大量的資料對(duì)超級(jí)電容的充放電電路進(jìn)行了研究。但是，現(xiàn)有技術(shù)基本都是通過電阻分兩檔或者更多檔的方式控制充電電流大小，首先檔位有限，無法根據(jù)CT（電流互感器）提供的電能大小來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)充電電流大小，并且檔位越多電路越復(fù)雜；而且對(duì)于電流互感器供電的系統(tǒng)無論是使用恒流充電或者恒壓方式充電都會(huì)造成電能的利用不合理，在小的一次電流下，電流互感器取到的電能有時(shí)候剛好維持系統(tǒng)運(yùn)行，此時(shí)打開充電將會(huì)造成系統(tǒng)電能不足；最后，現(xiàn)有技術(shù)無法準(zhǔn)確判斷電流互感器在什么時(shí)候有多余的能量用來充電。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種能夠根據(jù)電流互感器的負(fù)載能力實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容無極充電、而且充電效率極高的超級(jí)電容充電電路。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種所述超級(jí)電容充電電路的充電方法。

本發(fā)明的目的之三在于提供一種包括所述超級(jí)電容充電電路和充電方法的暫態(tài)錄波型故障指示器。

本發(fā)明提供的這種超級(jí)電容充電電路，包括基準(zhǔn)電壓電路、電壓采樣電路、減法器電路和開關(guān)管模組；電流互感器輸出的電能經(jīng)過整流后通過開關(guān)管模組連接超級(jí)電容并為超級(jí)電容充電；電壓采樣電路采樣整流后的電流互感器輸出電壓，并將采樣信號(hào)輸入到減法器電路；減法器電路將采樣信號(hào)和基準(zhǔn)電壓電路提供的基準(zhǔn)電壓信號(hào)相減后產(chǎn)生控制信號(hào)控制開關(guān)管模組的開通與關(guān)斷，從而對(duì)超級(jí)電容的充電進(jìn)行控制。

所述的開關(guān)管模組包括驅(qū)動(dòng)開關(guān)管和充電開關(guān)管；充電開關(guān)管的活動(dòng)端連接整流后的電流互感器輸出端和超級(jí)電容；驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的活動(dòng)端連接充電開關(guān)管的控制端和地；驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的控制端連接減法器電路的輸出端。

所述的基準(zhǔn)電壓電路提供的基準(zhǔn)電壓值為超級(jí)電容充滿電時(shí)的端電壓值。

所述的超級(jí)電容充電電路還包括穩(wěn)壓電路；電壓采樣電路通過穩(wěn)壓電路連接整流后的電流互感器輸出端；穩(wěn)壓電路用于對(duì)整流后的電流互感器輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。

所述的穩(wěn)壓電路為二極管和電容；二極管串接在整流后的電流互感器的信號(hào)輸出端，用于隔離交流雜波信號(hào)；電容連接在二極管的陰極和地之間，用于濾波。

所述的超級(jí)電容充電電路還包括過充保護(hù)電路；過充保護(hù)電路連接在超級(jí)電容和驅(qū)動(dòng)開關(guān)管之間，用于檢測(cè)超級(jí)電容的端電壓，并在端電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)發(fā)出控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的工作，從而停止為超級(jí)電容充電。

所述的過充保護(hù)電路包括電壓采樣電路和比較器電路；電壓采樣電路用于采樣超級(jí)電容的端電壓，并將采樣信號(hào)輸入比較器電路；比較器電路根據(jù)采樣的超級(jí)電容端電壓信號(hào)和電壓設(shè)定值的大小輸出控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的工作。

所述的電壓設(shè)定值為基準(zhǔn)電壓電路提供的基準(zhǔn)電壓。

所述的超級(jí)電容充電電路還包括低功耗電路。低功耗電路連接在減法器電路和過充保護(hù)電路的輸出端，用于降低電路的功耗。

所述的低功耗電路為二極管；二極管的陽極連接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，二極管的陰極連接減法器電路的輸出端或者比較器電路的輸出端。

本發(fā)明還提供了一種所述超級(jí)電容充電電路的充電方法，包括如下步驟：

S1. 采樣經(jīng)過整流的電流互感器的輸出電壓值；

S2. 根據(jù)步驟S1得到的采樣值和事先設(shè)定的第一電壓參考值，按照下列原則判斷是否為超級(jí)電容充電：

若電壓采樣值大于第一電壓參考值且開關(guān)管模組工作在可變電阻區(qū)，則經(jīng)過整流后的電流互感器輸出端通過開關(guān)管模組的等效電阻為超級(jí)電容充電；

若電壓采樣值大于第一電壓參考值且開關(guān)管模組工作在飽和器，則經(jīng)過整流后的電流互感器輸出端通過開關(guān)管模組直接為超級(jí)電容充電；

若電壓采樣值小于或等于第一電壓參考值，則開關(guān)管模組關(guān)斷，停止為超級(jí)電容充電；

S3. 采樣超級(jí)電容的端電壓值，并依據(jù)采樣的端電壓值和設(shè)定的第二電壓參考值，按照下列原則判斷是否為超級(jí)電容充電：

若端電壓采樣值大于或等于第二電壓參考值，則控制開關(guān)管模組關(guān)斷，停止為超級(jí)電容充電；

若端電壓采樣值小于第二電壓參考值，則繼續(xù)依據(jù)步驟S2的判斷結(jié)果對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。

本發(fā)明還提供了一種暫態(tài)錄波型故障指示器，該暫態(tài)錄波型故障指示器采用上述所述的超級(jí)電容充電電路和充電方法為暫態(tài)錄波型故障指示器中的超級(jí)電容進(jìn)行充電。

本發(fā)明提供的這種超級(jí)電容充電電路和充電方法，通過檢測(cè)電流互感器的負(fù)載能力（即電流互感器的輸出信號(hào)大?。?，并根據(jù)電流互感器的負(fù)載能力和事先設(shè)定的電壓值控制超級(jí)電容的充電電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容的無極充電，而且根據(jù)電流互感器的負(fù)載能力控制充電電流的大小，使得本發(fā)明的電路充電效率極高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的充電電路的功能模塊圖。

圖2為本發(fā)明的充電電路的電路原理圖。

圖3為本發(fā)明的充電方法的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示為本發(fā)明的充電電路的功能模塊圖：本發(fā)明提供的這種超級(jí)電容充電電路，包括基準(zhǔn)電壓電路、電壓采樣電路、減法器電路、開關(guān)管模組、穩(wěn)壓電路、低功耗電路和過充保護(hù)電路；電流互感器輸出的電能經(jīng)過整流后通過開關(guān)管模組連接超級(jí)電容并為超級(jí)電容充電；電壓采樣電路采樣整流后的電流互感器輸出電壓，并將采樣信號(hào)輸入到減法器電路；減法器電路將采樣信號(hào)和基準(zhǔn)電壓電路提供的基準(zhǔn)電壓信號(hào)相減后產(chǎn)生控制信號(hào)控制開關(guān)管模組的開通與關(guān)斷，從而對(duì)超級(jí)電容的充電進(jìn)行控制；電壓采樣電路通過穩(wěn)壓電路連接整流后的電流互感器輸出端；穩(wěn)壓電路用于對(duì)整流后的電流互感器輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓；過充保護(hù)電路連接在超級(jí)電容和驅(qū)動(dòng)開關(guān)管之間，用于檢測(cè)超級(jí)電容的端電壓，并在端電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)發(fā)出控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的工作，從而停止為超級(jí)電容充電；低功耗電路連接在減法器電路和過充保護(hù)電路的輸出端，用于降低電路的功耗。

如圖2所示為本發(fā)明的充電電路的電路原理圖：圖中穩(wěn)壓電路由二極管D33和電容C3構(gòu)成；電壓采樣電路由電阻R51和R139構(gòu)成；減法器電路由運(yùn)放U16和電阻R57、R56、R55、R59和電容C51、C46構(gòu)成；基準(zhǔn)電壓電路由電壓芯片U19和電容C88、C45構(gòu)成，根據(jù)所需要的基準(zhǔn)電壓的不同，電壓芯片U19的型號(hào)也不同；低功耗電路由二極管D32和D23構(gòu)成；過充保護(hù)電路由電壓采樣電路（電阻R34和R140）、比較器芯片U18和濾波電容C47構(gòu)成；電容C44為超級(jí)電容；開關(guān)管模組包括驅(qū)動(dòng)開關(guān)管V8和啟動(dòng)開關(guān)管V16，以及限流電阻R65。

電路中的VDD1是取電電流互感器經(jīng)過整流后的電壓信號(hào)，VDD1經(jīng)過D33和C3的作用，使得電壓更加的平穩(wěn)，之后經(jīng)過R51和R139的分壓后連接到運(yùn)算放大器U16的3腳，而U16的四腳連接到電阻R56和R55，電阻R56再接到參考電壓VREF_1P2，R55接到運(yùn)算放大器U16的輸出端1腳。R51和R139主要設(shè)定超級(jí)電容的起始充電電壓，這個(gè)電壓是根據(jù)系統(tǒng)額定電壓而定；運(yùn)算放大器U16在這里組成一個(gè)減法器，把VDD1經(jīng)過分壓后減去參考電壓VREF_1P2，并把相減后的電壓值在1腳輸出，輸出的電壓值經(jīng)過D32后接到MOS管V8的1腳。當(dāng)一次側(cè)線路電流增加，電流互感器取到的電能也隨著增加，這個(gè)時(shí)候電流互感器除了提供充足的系統(tǒng)運(yùn)行電能外多出的電能會(huì)使得VDD1升高，同時(shí)U16的輸出開始隨之增加，當(dāng)電壓增大到一定程度，V8脫離截止區(qū)，進(jìn)去可變電阻區(qū)，同理MOS管V16隨著V8的改變也進(jìn)去可變電阻區(qū)，此時(shí)電流互感器通過V16的等效電阻對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電；當(dāng)電流互感器取電足夠多時(shí)，Ｖ16進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)V16直接開啟，電流互感器通過開關(guān)管對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行直通充電。

通過U16、V16、V8的共同作用，在VDD1電壓超過系統(tǒng)電壓后，隨著VDD1電壓的繼續(xù)增加，電流互感器取得多余的電能開始向超級(jí)電容充電，電流互感器取電越多，充電越多，充電過程電流是平滑增加，而且是無極充電，所以開啟充電過程中不會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓造成沖擊進(jìn)而拉低系統(tǒng)電源。

比較器U18在這里起到過充保護(hù)的作用，超級(jí)電容的電壓經(jīng)過R34和R140的分壓后接到比較器U18的4腳，U18的三腳接到參考電壓VREF_1P2,當(dāng)超級(jí)電容充電的電壓達(dá)到設(shè)定電壓后，比較器U18的輸出翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，從而拉低V8的一腳，使得V8進(jìn)入截止區(qū)，相應(yīng)的V16進(jìn)入截止區(qū)，停止超級(jí)電容的充電。

二極管D32和D23在這里起到低功耗的處理，無論是運(yùn)算放大器還是比較器，如果是推挽輸出模式，當(dāng)輸出高電平時(shí)，如果另外一邊輸出的是低電平，就會(huì)造成功耗的增加，這在低功耗系統(tǒng)下是不容許的，所以每個(gè)輸出反接一個(gè)二極管，達(dá)到降低功耗的目的。

如圖3所示為本發(fā)明的充電電路的充電方法的方法流程圖：本發(fā)明提供的這種超級(jí)電容充電電路的充電方法，包括如下步驟：

S1. 采樣經(jīng)過整流的電流互感器的輸出電壓值；

S2. 根據(jù)步驟S1得到的采樣值和事先設(shè)定的第一電壓參考值，按照下列原則判斷是否為超級(jí)電容充電：

若電壓采樣值大于第一電壓參考值且開關(guān)管模組工作在可變電阻區(qū)，則經(jīng)過整流后的電流互感器輸出端通過開關(guān)管模組的等效電阻為超級(jí)電容充電；

若電壓采樣值大于第一電壓參考值且開關(guān)管模組工作在飽和器，則經(jīng)過整流后的電流互感器輸出端通過開關(guān)管模組直接為超級(jí)電容充電；

若電壓采樣值小于或等于第一電壓參考值，則開關(guān)管模組關(guān)斷，停止為超級(jí)電容充電；

S3. 采樣超級(jí)電容的端電壓值，并依據(jù)采樣的端電壓值和設(shè)定的第二電壓參考值，按照下列原則判斷是否為超級(jí)電容充電：

若端電壓采樣值大于或等于第二電壓參考值，則控制開關(guān)管模組關(guān)斷，停止為超級(jí)電容充電；

若端電壓采樣值小于第二電壓參考值，則繼續(xù)依據(jù)步驟S2的判斷結(jié)果對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。

本發(fā)明提供的這種超級(jí)電容充電電路和充電方法，適用于所有利用超級(jí)電容作為備用電源的電氣和電子設(shè)備，包括但不限于各類型的計(jì)量?jī)x表（比如電能表、水表、燃?xì)獗?、熱量表等）、電能管理終端、配電終端、電能質(zhì)量監(jiān)控設(shè)備、電網(wǎng)自動(dòng)化終端、采集終端、集中器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)量?jī)x表、手抄器、普通型故障指示器和暫態(tài)錄波型故障指示器等。