具有双向功率流的超级电容器备用电源制造技术

本发明专利技术提供一种具有双向功率流的超级电容器备用电源，其是一种用于向设备提供备用电源的系统。该系统包括超级电容器和用于为超级电容器充电和放电的单个电路。所述单个电路和电感器一起运行，以便为超级电容器充电和放电。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电源技术，更具体地涉及基于超级电容器的备用电源 系统。
技术介绍
许多数字系统在主电源不可用的情况下，需要备用电源。这通常 利用电池来完成，但是随着容值非常高的电容器(超级电容器)的产生， 更优选的经常是用电容器替代电池。这主要是由于维护的原因超级 电容器可以比可充电电池承受更多的充电/放电周期，并且比电池具有 更长的使用寿命从而减少了给定的需要备用机构的产品的维修需求。公知的用超级电容器来存储能量的备用电源机构包括两个单独的 (separate)电路当主电源可用时为超级电容器充电的电路；以及当 主电源不可用时运行超级电容器的开关电源。图1中示出了具有单独的充电电路和放电电路的备用电源机构的 简单示例。当主电源(未示出)可用时，由该电源产生Vcc。在这段时间 中，开关102闭合，允许超级电容器104经由电流源103充电。电流 源103包括电阻器、主动电流源(active current source)、开关电源 (switching supply)或其他机构。开关106在充电期间断开。调节开关 102以在超级电容器104上保持固定的(最大)电压。这通常由控制结构 (未示出)执行。当主电源缺失时，开关102断开且开关106被调节，以从超级电 容器104经由电感器108和二极管110向Vcc传送能量。通过主电源(未 示出)的输出电容器执行输出滤波。这样，具有单独的充电电路和放电 电路。为充电和放电使用单独的电路需额外的部件数量，由此会增大 成本、印刷电路板(PCB)的布局面积和重量。当二极管110两端具有开关从而形成同步整流器时，可以实现更 高的效率。在图2中示出了具有该附加元件的电路。开关202与二极管110并联连接。但是，图2的电路具有单独的充电电路和放电电路。 现有技术中的超级电容器充电方案仅具有简单的充电机构，其中 超级电容器直接放置在电压的两端，这使得在充电开始时可能会有非 常大的电流。因此需要提供一种基于超级电容器的备用电源系统，该备用电源 系统能够使部件数量最小化，提供高效的输出电压生成，以及提供对 超级电容器的受控(电压源的瞬时电流需求受到限制)且高能效的充电。
技术实现思路
本专利技术通常涉及在电源备用的情况中使用的超级电容器的充放电。本专利技术的目的是消除或减轻现有技术中用于为超级电容器充放电 的电路的至少一个缺陷。根据本专利技术的一方面，提供一种备用电源系统。该系统包括超级电容器，以及用于为超级电容器充放电的单个(single)电路。该单个 电路包括具有电感器的路径(path),该电感器在以充电模式运行时用 于充电，而在以备用模式运行时用于放电。根据本专利技术的另一方面，提供一种备用电源系统。该系统包括超 级电容器、电感器、和电感器一起运行用于为超级电容器充放电的单 个电路，以及用于监视和控制该单个电路的控制器。本专利技术的该
技术实现思路
不必描述本专利技术的所有特征。附图说明根据以下参考附图做出的描述，本专利技术的这些和其他特征将变得 更明显，在这些附图中图1是示出了现有技术中基于超级电容器的备用电源电路的示意图；图2是示出了另一基于超级电容器的备用电源电路的示意图； 图3是示出了根据本专利技术实施例的基于超级电容器的备用电源电 路的示意图；图4是示出了根据本专利技术另一实施例的基于超级电容器的备用电源电路的示意图；图5是示出了根据本专利技术再一实施例的基于超级电容器的备用电 源电路的示意图；图6是示出了根据本专利技术实施例的控制电路的示例的示意图；以及图7是示出了根据本专利技术再一实施例的基于超级电容器的备用电 源电路的示意图。具体实施方式本专利技术的实施例提供一种备用电源，其由用于超级电容器的单个 充放电电路实现。该电路与带有单独的充电电路和放电电路相比，部 件的数量减少。在下面的描述中，术语连接(被连接)用于指示两个 或多个元件彼此直接或间接地相接触。图3示出了根据本专利技术实施例的基于超级电容器的备用电源。图3 的备用电源电路300包括开关302和304、 二极管305和306、电感 器308，以及超级电容器310。开关302与二极管305并联连接。开关 304与二极管306并联连接。电感器308和超级电容器310可以分别与 图2的电感器108和超级电容器104相同或类似。应该注意，图3在 某种程度上是概念性的，在图3所示的电路周围还可包括其他电路。二极管306用作所谓的续流二极管(free-wheeling diode)。开关 302、电感器308和二极管306的组合提供了开关电源(switching power supply)或所谓的降压变换器(buck converter),其可以用于为超级电 容器310充电。由于该电路300能用于充电，电流源和其控制开关(图 2的103和102)变得多余。因此，电路300不使用图2的电流源103 和其开关102。电路300用于在没有电流源和其开关的情况下为超级电 容器310充放电。在电路300中，磁性元件，即电感器308以双向模 式运行。当Vcc由主电源(未示出)产生时，电路300处于充电模式。在充电 模式中，开关302被调节，以将超级电容器310充电到理想的电平， 即电能从Vcc流向超级电容器310。在充电模式中，此时开关304通常 维持断开。但是，为了提高效率，在二极管306的续流时间期间，开关304可以闭合。在这种情况下，开关304充当了同步整流器。当检测到缺少产生Vcc的主电源时，电路300处于备用(放电)模式。 在备用模式中，调节开关304使得电能从超级电容器310流向Vcc。在 备用模式中，开关302用作同步整流器，且在电感器308的回扫时间 的期间内闭合。在实施例中，向电路300提供控制器，以监视主电源、超级电容 器电压、输出电压(Vcc)、电感器电流(如果要实现电流模式控制)，或 它们的组合，然后基于监视值控制充放电电路的运行(例如图4-6)。在一个示例中，控制器监视主电源，并在主电源可用时，启用超 级电容器的充电机构(充电模式)。在充电模式中，控制器监视超级电容 器310两端的电压，并运行开关302和304连同电感器308，以形成降 压变换器(具有同步整流器)。在这种情况下，能量从Vcc流向超级电容 器。当主电源缺失时，那么控制器切换至备用模式。在备用模式中， 控制器监视电压Vcc，并运行开关302和304连同电感器308，以形成 升压变换器(具有同步整流器)。在这种情况下，能量从超级电容器流向 Vcc。在充电或备用模式中，控制器可实现电流模式控制。电流模式控 制利用内控制环限制电感器308的峰值或平均电流，这将导致与电压 模式控制的开关模式电源相比，很明显地移动与电感器308相关的电 极。由此产生的级数减少了的传递函数便于更好地对电源进行动态响 应，并使得对电源的补偿更加容易。对于这样的控制来说，控制器包 括在电流控制模式中监视电感器308的电流的机构。电流模式控制中 的电感器电流的内在控制在以固定速率对电容器充电的概念下工作良 好。电路300可以使用电压模式控制来控制输出电压。电路300适用于电源电压Vcc大于或等于最大允许的电容器电压 的结构。但是，本领域技术人员很好理解，可以重新构造电路300，以 支持小于最大超级电容器电压的Vcc。这样，提供了本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用作备用电源的系统，所述系统包括：　　　　超级电容器；以及　　　　用于为所述超级电容器充电和放电的单个电路，所述单个电路包括具有电感器的路径，所述电感器在充电模式中运行用于充电，在备用模式中运行用于放电。

【技术特征摘要】
CA 2006-11-10 2,567,5621.一种用作备用电源的系统，所述系统包括超级电容器；以及用于为所述超级电容器充电和放电的单个电路，所述单个电路包括具有电感器的路径，所述电感器在充电模式中运行用于充电，在备用模式中运行用于放电。2. 如权利要求l所述的系统，其中所述单个电路包括 连接在所述电感器的第一节点和一个电势之间的第一开关； 与所述第一开关并联的第一二极管；连接在接地端和所述电感器的所述第一节点之间的第二开关；和 与所述第二开关并联的第二二极管。3. 如权利要求2所述的系统，其中所述第一开关和所述第二开关被操 作，以在所述电势可用时，为所述超级电容器充电，在所述电势缺失 时，使所述超级电容器放电。4. 如权利要求2或3所述的系统，其中所述第一开关和所述第二开关 中的至少一个是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。5. 如权利要求4所述的系统，其中所述第一二极管和所述第二二极管 中的至少一个是所述MOSFET的固有二极管。6. 如权利要求4所述的系统，其中所述第一二极管和所述第二二极管 中的至少一个是肖特基二极管。7. 如权利要求2至6中任一项所述的系统，进一步包括用于控制所述 第一开关和所述第二开关的控制器。8. 如权利要求7所述的系统，其中所述控制器操作所述第一开关和所述第二开关连同所述电感器，以形成具有同步整流器的降压变换器。9. 如权利要求7或8所述的系统，其中所述控制器操作所述第一开关 和所述第二开关连同所述电感器，以形成具有同步整流器的升压变换 器。10. 如权利要求7至9中任一项所述的系统，其中所述控制器以及所述 第一开关和所述第二开关中的至少一个是在集成电路中形成的。11. 如权利要求1所述的系统，其中所述单个电路依据所述单个电路处 于充电模式还是降压模式，而形成降压变换器或升压变换器。12. 如权利要求11所述的系统，进一步包括用于形成所述降压变换器 或所述升压变换器的控制器。13. 如权利要求1所述的系统，其中所述单个电路包括第一反馈路径和 第二反馈路径，所述第一反馈路径和所述第二反馈路径中的一个在充 电模式被激活，另一个在备用模式被激活。14. 如权利要求13所述的系统，进一步包括用于控制所述单个电路运 行的控制器。15. 如权利要求7至10，12和14中任一项所述的系统，其中所述系统 具有多个模式，包括用于充电的充电模式和用于放电的备用模式，其 中所述控制器监视一个电势的初级电源、所述超级电容器电压的电压、 所述电势、所述电感器的电流、或它们的组合，并基于一个或多个监 视的结果来控制所述单个电路的模式。16. 如权利要求12或14所述的系统，其中所述控制器的电路位于集成 电路上。17. 如权利要求7至10、 12、 14和16中任一项所述的系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：K贝克，L福赛思，
申请(专利权)人：得逻辑公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]