一種掉電后備電源的設(shè)計(jì)方案

　　1 引言

　　測量儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及機(jī)器人等重要單元或關(guān)鍵部件需在非正常掉電時進(jìn)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(diǎn)，可進(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)了高效、大電流Boost掉電后備電源。

　　2 超級電容容量和拓?fù)涞倪x取

　　該電源實(shí)現(xiàn)短時掉電保護(hù)，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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?fù)?，在?jīng)濟(jì)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?fù)?，主要技術(shù)指標(biāo)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(hù)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(shè)計(jì)由5V電源供電，并同時給超級電容進(jìn)行充電。當(dāng)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(shè)計(jì)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(dá)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(jìn)行均壓。

　　3 后備電源主功率設(shè)計(jì)

　　3.1 主功率拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

　　主功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)湟约癓C濾波三個部分。

　　Boost功率拓?fù)渲?，電感?a href="http://www.ttokpm.com/tags/mosfet/" target="_blank">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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(yàn)選擇濾波級數(shù)。本設(shè)計(jì)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)。

　　主功率電路原理圖