在掉電情況下保持后備電源的設計方案

　　1 引言

　　測量儀器、數據采集系統、伺服系統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記錄和必要的系統配置，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(SupercaPACitor)兼有常規電容器功率密度大、充電電池比能量高的優點，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，壽命等方面優于電池，正在發展成為一種新型、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

　　該電源實現短時掉電保護，其配置需要優化，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20 A,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，可經過試驗選擇濾波級數。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。

　　圖 1 主功率電路原理圖

　　圖 2 控制驅動原理圖

　　3.2 驅動控制設計

　　驅動控制采用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，完成電路的輸出切斷，圖中滯環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，電壓穩定，為4.98V,在完整工作期間紋波峰-峰值為150mV,負載調整率小于1%,占空比調節穩定;關斷電路工作正常，可瞬間關斷輸出，波形單調，不產生振蕩，超級電容從5V 下降至3.5V,可供設備以5A 持續供電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，優化了超級電容容量配置，可在5V@5A 條件下，持續工作10s,并在電容因欠壓停止工作時，可迅速關斷輸出，輸出電壓單調下降，不產生振蕩，滿足了大多數設備的需求。