技术领域
[0001] 本实用新型涉及超级电容充电保护电路，具体是一种超级电容充电开关及防倒灌保护电路。
背景技术
[0002] 超级电容作为储能元件，在电容
能量消耗殆尽时，需要及时进行对电容充电，防反灌保护电路用于防止超级电容
电压高于
电源电压，导致
电流反灌流入电源，造成电源损坏，
现有技术中大多采用
串联二极管的方式进行反灌保护，但在大电流的情况下，由于二极管固有的管压降，将产生不小的损耗，比如管压降为0.5V的二极管流过10A电流时，产生的损耗为0.5V×10A＝5W。同时导致二极管较大的温升，若不能良好
散热，极易引起二极管损坏。
[0003] 现有技术中，存在利用P
沟道MOSFET实现电流反灌保护的方法，但相比于N沟道MOSFET，P沟道MOSFET有着较大的等效导通内阻，在大电流通过时，也将产生不小的功率损耗，所以为降低功率损耗，应使用N沟道MOSFET实现电流反灌保护。
[0004] 若使用N沟道MOSFET，若和充电电源的正极串联，则需要驱动电源电压高于充电电源，现有技术中，存在将MOSFET和充电电源的负极串联的方法，该方法驱动电压只满足大于N沟道MOSFET的导通电压即可，但这样将导致充电电源的负极和超级电容的负极没有直接连接，将造成一定程度的EMI影响。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题。
[0006] 为实现本实用新型目的而采用的技术方案是这样的，一种超级电容充电开关及防倒灌保护电路，主要包括方波
信号发生电路、超级电容充电电源、电荷
泵升压电路、稳压电路、超级电容、电压
采样比较电路、开关电路和防倒灌电路。
[0007] 所述方波信号发生电路为
电荷泵升压电路提供电压U1。
[0008] 所述超级电容充电电源为电荷泵升压电路提供电压U2。
[0009] 所述电荷泵升压电路在接收到电压U1和电压U2后，
输出电压 U3。U3>U2。
[0010] 所述稳压电路稳定电荷泵升压电路的输出电压U3。
[0011] 所述电压采样比较电路监测超级电容的电压U4和超级电容充电电源的电压U2。若电压U4≥电压U2，则开关电路和防倒灌电路断开，超级电容充电电源不向超级电容充电。若电压U4<电压U2，则开关电路和防倒灌电路导通，超级电容充电电源向超级电容充电。
[0012] 所述方波信号发生电路结构如下：
[0013] 555时基芯片的1号引脚接地。
[0014] 555时基芯片的2号引脚串联电容C18后接地。555时基芯片的 2号引脚串联
电阻R11后接入555时基芯片的4
接口。555时基芯片的2号引脚串联电阻R11后接入555时基芯片的8接口。555时基芯片的2号引脚串联电阻R14后接入555时基芯片的7接口。
[0015] 555时基芯片的3号引脚向电荷泵升压电路的电容C13输出电压 U1。
[0016] 555时基芯片的5号引脚串联电容C19后接地。
[0017] 555时基芯片的6号引脚串联电容C18后接地。
[0018] 电荷泵升压电路结构如下：
[0019] 记电容C13串联方波信号发生电路的555时基芯片3号引脚的一端为A端，另一端为B端。
[0020] 记超级电容充电电源正极所在一端为超级电容充电电源1号引脚，负极所在一端为超级电容充电电源2号引脚。
[0021] 电容C13的B端串联二极管D5的正极。电容C13的B端串联二极管D7的负极。二极管D7的正极串联超级电容充电电源1号引脚。
[0022] 二极管D5的负极串联电容C14后接入超级电容充电电源1号引脚。超级电容充电电源2号引脚接地。
[0023] 二极管D5的负极串联二极管D3的正极。
[0024] 二极管D5的负极串联电容C11后接入稳压电路的电阻R9。
[0025] 二极管D3的负极串联电容C10后接入电容C13的A端。
[0026] 二极管D3的负极串联二极管D2的正极。
[0027] 二极管D2的负极接入稳压电路的电阻R9。
[0028] 稳压电路结构如下：
[0029] 记电阻R9串联电荷泵升压电路的一端为E端，另一端为F端。
[0030] 电阻R9的F端串联电容C12后接入超级电容充电电源1号引脚。
[0031] 电阻R9的F端串联稳压二极管D4的负极。稳压二极管D4的正极接入超级电容充电电源1号引脚。
[0032] 电阻R9的F端接入电压采样比较电路的电压比较器供电端负极。
[0033] 电压采样比较电路结构如下：
[0034] 电压比较器供电端负极串联电阻R10后接入超级电容的1号引脚。电压比较器供电端负极串联二极管D6的正极。二极管D6的负极接入电压比较器供电端正极。二极管D6的负极接入开关电路 MOSFET管Q1的漏极。二极管D6的负极接入超级电容充电电源1号引脚。
[0035] 电压比较器输出端串联电阻R13后接入防倒灌电路的稳压二极管D8负极。
[0036] 开关电路结构如下：
[0037] MOSFET管Q1的漏极接入超级电容充电电源1号引脚。
[0038] MOSFET管Q1的栅极串联电阻R17和电容C9后接地。
[0039] MOSFET管Q1的源极串联防倒灌电路的电阻R15后接入MOSFET 管Q2的栅极。
[0040] MOSFET管Q1的源极串联防倒灌电路的稳压二极管D8的负极。
[0041] MOSFET管Q1的源极串联防倒灌电路的MOSFET管Q2的源极。
[0042] 防倒灌电路结构如下：
[0043] 稳压二极管D8的负极串联电阻R15后接入稳压二极管D8的正极。稳压二极管D8的负极串联MOSFET管Q2的栅极。
[0044] 稳压二极管D8的正极串联MOSFET管Q2的源极。
[0045] MOSFET管Q2的漏极串联超级电容的1号引脚。超级电容的2 号引脚接地。
[0046] 二极管D2、二极管D3、二极管D5和二极管D6为
肖特基二极管。
[0047] 本实用新型的技术效果是毋庸置疑的。本实用新型有效解决了采用P沟道MOSFET以及二极管在实现防倒灌功能时，功率损耗和温升较大的问题，解决了现有技术中使用P沟道MOSFET或二极管实现电流反灌保护时，产生较大功耗和发热的问题。
附图说明
[0048] 图1为电路结构图。
具体实施方式
[0049] 下面结合
实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型的保护范围内。
[0050] 实施例1：
[0051] 参见图1，一种超级电容充电开关及防倒灌保护电路，主要包括方波信号发生电路、超级电容充电电源、电荷泵升压电路、稳压电路、超级电容、电压采样比较电路、开关电路和防倒灌电路。附图1 中，out表示
电信号输出，IN-表示负向电信号输入，IN+表示正向电信号输入。
[0052] 所述方波信号发生电路为电荷泵升压电路提供电压U1。U1>0。
[0053] 所述超级电容充电电源为电荷泵升压电路提供电压U2。U2>0。
[0054] 所述电荷泵升压电路在接收到电压U1和电压U2后，输出电压 U3。U3>U2。电荷泵升压电路的输出端得到大于超级电容充电电源的电压。
[0055] 所述稳压电路稳定电荷泵升压电路的输出电压U3。U3>0。
[0056] 所述电压采样比较电路监测超级电容的电压U4和超级电容充电电源的电压U2。若电压U4≥电压U2，则开关电路和防倒灌电路断开，超级电容充电电源不向超级电容充电。若电压U4<电压U2，则开关电路和防倒灌电路导通，超级电容充电电源向超级电容充电。U4>0。
[0057] 电压采样比较电路通过比较超级电容充电电压和超级电容电压大小，控制开关电路和防倒灌电路的工作状态，向电容充电，以及防止电流由电容流向电源。
[0058] 方波发生电路的输出端和电荷泵升压电路的输入端正极相连接，电荷泵升压电路的输入端负极和超级电容充电电源的正极连接，电荷泵升压电路的输出端得到大于超级电容充电电源的电压，电荷泵升压电路的输出端和稳压电路的输入端连接，电压采样比较电路包括单限电压比较器U1和电压采样电路，稳压电路的输出端和电压比较器的供电端负极连接，电压比较器的供电端正极和超级电容充电电源的正极连接，电压采样比较电路的输出端同时和开关电电路以及防反灌电路的控制端连接，电压采样比较电路通过比较超级电容充电电压和超级电容电压大小，控制开关电路和防倒灌电路的工作状态，向电容充电，以及防止电流由电容流向电源，解决了现有技术中使用P沟道MOSFET或二极管实现电流反灌保护时，产生较大功耗和发热的问题。
[0059] 所述方波信号发生电路结构如下：
[0060] 555时基芯片的1号引脚接地。
[0061] 555时基芯片的2号引脚串联电容C18后接地。555时基芯片的 2号引脚串联电阻R11后接入555时基芯片的4接口。555时基芯片的2号引脚串联电阻R11后接入555时基芯片的8接口。555时基芯片的2号引脚串联电阻R14后接入555时基芯片的7接口。
[0062] 555时基芯片的3号引脚向电荷泵升压电路的电容C13输出电压 U1。
[0063] 555时基芯片的5号引脚串联电容C19后接地。
[0064] 555时基芯片的6号引脚串联电容C18后接地。
[0065] 555时
基础芯型号为NE555D，电容C19的容值为0.01μF，电阻 R11的阻值为7.2KΩ，电阻R14的阻值为3KΩ，电阻C18的阻值为 0.01μF，555时基芯片3管脚输出
频率约为10kHz，占空比约为百分之50％，幅值为5V的方波信号。
[0066] 电荷泵升压电路结构如下：
[0067] 记电容C13串联方波信号发生电路的555时基芯片3号引脚的一端为A端，另一端为B端。
[0068] 记超级电容充电电源正极所在一端为超级电容充电电源1号引脚，负极所在一端为超级电容充电电源2号引脚。
[0069] 电容C13的B端串联二极管D5的正极。电容C13的B端串联二极管D7的负极。二极管D7的正极串联超级电容充电电源1号引脚。
[0070] 二极管D5的负极串联电容C14后接入超级电容充电电源1号引脚。超级电容充电电源2号引脚接地。
[0071] 二极管D5的负极串联二极管D3的正极。
[0072] 二极管D5的负极串联电容C11后接入稳压电路的电阻R9。
[0073] 二极管D3的负极串联电容C10后接入电容C13的A端。
[0074] 二极管D3的负极串联二极管D2的正极。
[0075] 二极管D2的负极接入稳压电路的电阻R9。
[0076] 稳压电路结构如下：
[0077] 记电阻R9串联电荷泵升压电路的一端为E端，另一端为F端。
[0078] 电阻R9的F端串联电容C12后接入超级电容充电电源1号引脚。
[0079] 电阻R9的F端串联稳压二极管D4的负极。稳压二极管D4的正极接入超级电容充电电源1号引脚。
[0080] 电阻R9的F端接入电压采样比较电路的电压比较器供电端负极。
[0081] 电阻R9和稳压二极管D4串联，用于限流保护稳压二极管D4。电容C12和稳压二极管D4稳定电压比较器U1的供电电压。同时限制供电电压过高，损坏电压比较器U1。
[0082] 当从555时基芯片U3的3管脚输入方波信号为0V低电平时，超级电容充电电源通过肖特基二极管D7向电容C13充电，使电容C13 两端电压大小等于超级电容充电电源电压，当从555时基芯片U3的 3管脚输入方波信号为5V高电平时，5V电压和电容C13两端电压
叠加，并通过肖特基二极管D5向电容C14充电，使电容C14两端电压约等于5V,当从555时基芯片U3的3管脚输入方波信号为0V低电平时，超级电容充电电源的通过电容C14和肖特基二极管D3向电容 C10充电，使电容C13两端电压大小等于超级电容充电电源电压和电容C14两端电压叠加的大小，约等于超级电容充电电压的大小加上 5V，当从555时基芯片U3的3管脚输入方波信号为5V高电平时， 5V电压和电容C10两端电压叠加，并通过肖特基二极管D2向电容 C11充电，使电容C11两端电压约等于5V,电荷泵升压电路中C11和 C14串联得到高于超级电容充电电源电压约为10V的电压。
[0083] 电压采样比较电路结构如下：
[0084] 电压比较器供电端负极串联电阻R10后接入超级电容的1号引脚。电压比较器供电端负极串联二极管D6的正极。二极管D6的负极接入电压比较器供电端正极。二极管D6的负极接入开关电路 MOSFET管Q1的漏极。二极管D6的负极接入超级电容充电电源1号引脚。
[0085] 电压比较器输出端串联电阻R13后接入防倒灌电路的稳压二极管D8负极。
[0086] 电压采样比较电路的参考地为超级电容充电电源的正极，电压比较器U1的型号为TLV7211带推挽输出功能比较器，电阻R10和肖特基二极管D6对超级电容电压比较器的正极电压进行采样，D6用于保护电压比较器U1负输入管脚。当电压过高时，电压比较器U1的负输入管脚电压被钳位在0.5V左右。电压比较器U1的正输入端直接接入超级电容充电电压，当超级电容充电电压高于超级电容电压时，电压比较器U1将输出高电平，否则电压比较器U1一直输出低电平。电压比较器的输出端串联电阻R13用于驱动N沟道MOSFET时限流。
[0087] 开关电路结构如下：
[0088] MOSFET管Q1的漏极接入超级电容充电电源1号引脚。
[0089] MOSFET管Q1的栅极串联电阻R17和电容C9后接地。
[0090] MOSFET管Q1的源极串联防倒灌电路的电阻R15后接入MOSFET 管Q2的栅极。
[0091] MOSFET管Q1的源极串联防倒灌电路的稳压二极管D8的负极。
[0092] MOSFET管Q1的源极串联防倒灌电路的MOSFET管Q2的源极。
[0093] 电阻R17和电容C9用于实现软启动。在N沟道MOSFET的栅极得到
高电平信号时，由需要对电容C9充电，使用MOSFET Q1栅极电压上升速度减慢，从而使MOSFET Q1的导通深度逐渐增加，从而限制电容在接通充电电源时的较大的充电电流，保护MOSFET Q1。
[0094] 防倒灌电路结构如下：
[0095] 稳压二极管D8的负极串联电阻R15后接入稳压二极管D8的正极。稳压二极管D8的负极串联MOSFET管Q2的栅极。
[0096] 稳压二极管D8的正极串联MOSFET管Q2的源极。
[0097] MOSFET管Q2的漏极串联超级电容的1号引脚。超级电容的2 号引脚接地。
[0098] 二极管D2、二极管D3、二极管D5和二极管D6为肖特基二极管。
[0099] 稳压二极管D8保护MOSFET Q1和Q2的栅源极，避免因电压过大，导致MOSFET损坏，电阻R15用于在MOSFET Q1和Q2关断时，消耗掉Q1和Q2的栅源极电压，使MOSFET完全关断。当超级电容充电电压小于超级电容电压时，电压比较器U1的输出端输出低电平， MOSFET Q1和Q2关闭，同时MOSFET Q2的
体二极管截止，电流不能由电容流向电源，实现防电流倒灌保护的功能，当超级电容充电电压大于于超级电容电压时，电压比较器U1的输出端输出高电平电平，MOSFET Q2打开，同时MOSFET Q2逐渐开启，限制瞬时较大的充电电流，此时充电电源向电容充电，MOSFET Q1和Q2实现开关和防倒灌功能，N沟道MOSFET Q1和Q2导通后的导通电阻较小，产生较小的功率损耗和温升，MOSFET Q1一定程度上实现理想二极管的功能，Q1 实现开关功能。
[0100] 电荷泵升压电路的升压电路在超级电容充电电源的基础上叠加了约2倍方波发生电路供电电压，约为10V，为电压比较器U1提供电源，同时该电压的大小也足够驱动N沟道MOSFET导通。电压比较器U1的参考电位为超级电容充电电源正极电压，当超级电容的充电电压高于超级电容的电压，电压比较器处输出高电平，驱动N沟道 MOSFET Q1和Q2开启，充电电源的电流向超级电容充电，当超级电容电压高于充电电压时，电压比较器输出低电平，使N沟道MOSFET Q1和Q2关闭，同时由于MOSFET Q2的反接体二极管将截止，电容电流将不会流向电源。
