一種掉電后備電源的設計方案

　　導讀：文介紹了一種掉電后備電源的設計，采用超級電容作為儲能元件可長期浮充，大電流放電，提高了使用壽命；采用升壓型拓撲，優(yōu)化了超級電容容量配置，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，可迅速關斷輸出，輸出電壓單調(diào)下降，不產(chǎn)生振蕩，電性指標滿足絕大。

　　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（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，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結構，效率會有所提高，但會有較大的電容電荷不能利用；采用升降壓結構的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構采用的是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20A,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

　　3.2 驅(qū)動控制設計

　　驅(qū)動控制采用UCC2813,開關頻率為100K,如圖2所示，由該芯片的輸出Gate1直接驅(qū)動MOSFET.

　　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。

　　5 實驗結果

　　在輸出為滿載5A和空載的條件下測試，輸出與控制占空比波形、電壓紋波以及關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，輸出電壓波形（2）和占空比波形（1）（左）滿載時，輸出電壓波形（2）和占空比波形（1）（右）。

　　圖6 空載時，輸出電壓紋波波形（左）滿載時，輸出電壓紋波波形（右）。

　　圖7 電壓關斷時的波形。

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

　　6 結論

　　本文介紹了一種掉電后備電源的設計，采用超級電容作為儲能元件可長期浮充，大電流放電，提高了使用壽命；采用升壓型拓撲，優(yōu)化了超級電容容量配置，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，可迅速關斷輸出，輸出電壓單調(diào)下降，不產(chǎn)生振蕩，滿足了大多數(shù)設備的需求。

　　導讀：文介紹了一種掉電后備電源的設計，采用超級電容作為儲能元件可長期浮充，大電流放電，提高了使用壽命；采用升壓型拓撲，優(yōu)化了超級電容容量配置，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，可迅速關斷輸出，輸出電壓單調(diào)下降，不產(chǎn)生振蕩，電性指標滿足絕大。

　　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（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，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結構，效率會有所提高，但會有較大的電容電荷不能利用；采用升降壓結構的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構采用的是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20A,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

　　驅(qū)動控制采用UCC2813,開關頻率為100K,如圖2所示，由該芯片的輸出Gate1直接驅(qū)動MOSFET.

　　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。

　　5 實驗結果

　　在輸出為滿載5A和空載的條件下測試，輸出與控制占空比波形、電壓紋波以及關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，輸出電壓波形（2）和占空比波形（1）（左）滿載時，輸出電壓波形（2）和占空比波形（1）（右）。

　　圖6 空載時，輸出電壓紋波波形（左）滿載時，輸出電壓紋波波形（右）。

　　圖7 電壓關斷時的波形。

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

　　6 結論

　　本文介紹了一種掉電后備電源的設計，采用超級電容作為儲能元件可長期浮充，大電流放電，提高了使用壽命；采用升壓型拓撲，優(yōu)化了超級電容容量配置，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，可迅速關斷輸出，輸出電壓單調(diào)下降，不產(chǎn)生振蕩，滿足了大多數(shù)設備的需求。