[发明专利]一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法

摘要

本发明公开了一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法，包括步骤：一、选取电阻RS的阻值；二、将电阻RS的一端与Buck变换器电路的负极输出端连接，将电阻RS的另一端接地；三、选择组成充电模式控制电路的合适参数的元件；四、连接各元件，组成充电模式控制电路；五、选择组成充电驱动电路的合适参数的元件；六、连接各元件，组成充电驱动电路；七、连接Buck变换器电路、电压源、超级电容和充电驱动电路，组成超级电容多模式快速充电电路。本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便，实用性强，便于推广使用。

主权项

1.一种超级电容多模式快速充电电路的设计方法，所述超级电容多模式快速充电电路包括与电压源(6)的输出端连接的Buck变换器电路(1)、用于对Buck变换器电路(1)的输出电流进行采样的电流采样电路(2)、充电模式控制电路(3)和充电驱动电路(4)，所述超级电容(5)与Buck变换器电路(1)的输出端连接，所述电流采样电路(2)与Buck变换器电路(1)连接，所述充电模式控制电路(3)与电流采样电路(2)的输出端、超级电容(5)和充电驱动电路(4)的参考电压输出端均连接，所述充电驱动电路(4)与充电模式控制电路(3)的输出端和电流采样电路(2)的输出端均连接，所述Buck变换器电路(1)与充电驱动电路(4)的PWM信号输出端连接；所述充电模式控制电路(3)包括运算放大器U2和运算放大器U3，稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4；所述运算放大器U2的同相输入端通过电阻R5与电流采样电路(2)的输出端连接，且通过电阻R6与稳压二极管D2的阳极连接，所述稳压二极管D2的阴极与超级电容(5)的正极连接，所述运算放大器U2的反相输入端通过电阻R10与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接，且通过电阻R11接地，所述运算放大器U2的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C5，所述运算放大器U2的输出端与开关二极管D3的阳极连接；所述运算放大器U3的同相输入端通过电阻R4与超级电容(5)的正极连接，且通过电阻R3接地，所述运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接，且通过电阻R7接地，所述运算放大器U3的反相输入端与输出端之间接有非极性电容C6，所述运算放大器U3的输出端与开关二极管D4的阳极连接；所述开关二极管D3的阴极与开关二极管D4的阴极连接且为充电模式控制电路(3)的输出端；所述充电驱动电路(4)包括芯片UC3843和三极管Q2，所述芯片UC3843的第1引脚通过非极性电容C2与充电模式控制电路(3)的输出端连接，所述芯片UC3843的第2引脚与充电模式控制电路(3)的输出端连接，所述芯片UC3843的第3引脚通过电阻R13与电流采样电路(2)的输出端连接，所述芯片UC3843的第4引脚通过非极性电容C3接地，所述芯片UC3843的第5引脚接地，所述芯片UC3843的第4引脚与第8引脚之间接有电阻R12，所述芯片UC3843的第8引脚为充电驱动电路(4)的参考电压输出端，所述三极管Q2的基极通过电阻R14与所述芯片UC3843的第6引脚连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的集电极为充电驱动电路(4)的PWM信号输出端；所述电流采样电路(2)由电阻RS构成，所述电阻RS的一端与Buck变换器电路(1)的负极输出端连接，所述电阻RS的另一端接地；其特征在于，所述超级电容多模式快速充电电路的设计方法包括以下步骤：步骤一、根据5mΩ≤RS<100mΩ选取电阻RS的阻值；步骤二、将电阻RS的一端与Buck变换器电路(1)的负极输出端连接，将电阻RS的另一端接地；步骤三、选择组成充电模式控制电路(3)的合适参数的运算放大器U2和运算放大器U3，稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4，电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电阻R11，以及非极性电容C5和非极性电容C6；其具体过程如下：步骤301、根据运算放大器U2的响应时间选取运算放大器U2，并根据运算放大器U3的响应时间选取运算放大器U3；其中，f为Buck变换器电路(1)的开关频率；步骤302、根据公式确定超级电容(5)恒功率充电的启动电压V1，选取稳压值等于V1的稳压二极管D2；其中，P为超级电容(5)恒功率充电的功率，I为超级电容(5)恒流充电的电流；步骤303、根据100Ω≤R5<500Ω选取电阻R5的阻值；步骤304、根据公式选取电阻R6的阻值，其中，V_REF1为运算放大器U2反相输入端的基准电压且V_REF1＝I·RS，V2为超级电容(5)恒压充电的电压，Vz为稳压二极管D2的稳压值，V_RS2为超级电容(5)从恒功率充电转换到恒压充电瞬间电阻RS上的电压且步骤305、根据1kΩ≤R7<100kΩ选取电阻R7的阻值；步骤306、根据公式选取电阻R8的阻值，其中，Vref为芯片UC3843提供的基准电压，V_REF2为运算放大器U3反相输入端的基准电压且V_REF2的取值范围为0.1V～3V；步骤307、根据1kΩ≤R3<100kΩ选取电阻R3的阻值；步骤308、根据公式选取电阻R4的阻值，其中，V3为运算放大器U3的同相输入端的电压且V3＝V_REF2；步骤309、根据1kΩ≤R11<100kΩ选取电阻R11的阻值；步骤3010、根据公式选取电阻R10的阻值；步骤3011、根据0.1μF≤C5<2μF选取非极性电容C5的容值；步骤3012、根据0.1μF≤C6<2μF选取非极性电容C6的容值；步骤3013、根据公式VD3>λ·VCC1选取开关二极管D3，其中，VD3为开关二极管D3的耐压值，λ为裕度系数且取值为1.5～2.5，VCC1为运算放大器U2的供电电压；步骤3014、根据公式VD4>λ·VCC2选取开关二极管D4，其中，VD4为开关二极管D4的耐压值，VCC2为运算放大器U3的供电电压；步骤四、连接运算放大器U2和运算放大器U3，稳压二极管D2、开关二极管D3和开关二极管D4，电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电阻R11，以及非极性电容C5和非极性电容C6，组成充电模式控制电路(3)，其具体过程如下：步骤401、将所述运算放大器U2的同相输入端一方面通过电阻R5，与电阻RS和Buck变换器电路(1)的负极输出端连接的一端连接，另一方面通过电阻R6与稳压二极管D2的阳极连接，并将稳压二极管D2的阴极与超级电容(5)的正极连接；步骤402、将所述运算放大器U2的反相输入端一方面通过电阻R10与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接，另一方面通过电阻R11接地；并将非极性电容C5接在运算放大器U2的反相输入端与输出端之间；步骤403、将所述运算放大器U2的输出端与开关二极管D3的阳极连接；步骤404、将所述运算放大器U3的同相输入端一方面通过电阻R4与超级电容(5)的正极连接，另一方面通过电阻R3接地；步骤405、将所述运算放大器U3的反相输入端一方面通过电阻R8与充电驱动电路(4)的参考电压输出端连接，另一方面通过电阻R7接地，并将非极性电容C6接在运算放大器U3的反相输入端与输出端之间；步骤406、将所述运算放大器U3的输出端与开关二极管D4的阳极连接；步骤407、将所述开关二极管D3的阴极与开关二极管D4的阴极连接并引出导线，作为充电模式控制电路(3)的输出端；步骤五、选择组成充电驱动电路(4)的合适参数的三极管Q2，电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15，以及非极性电容C2和非极性电容C3；其具体过程如下：步骤501、根据公式选取三极管Q2，其中，V_Q2为三极管Q2的耐压值，Vi为Buck变换器电路(1)的输入电压，f_T为三极管Q2的特征频率；步骤502、根据公式选取电阻R12的阻值和非极性电容C3的容值；步骤503、根据100Ω≤R13<1kΩ选取电阻R13的阻值；步骤504、根据500Ω≤R14<5kΩ选取电阻R14的阻值；步骤505、根据10kΩ≤R15<50kΩ选取电阻R15的阻值；步骤506、根据0.01μF≤C2<0.5μF选取非极性电容C2的容值；步骤六、连接芯片UC3843，三极管Q2，电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R15，以及非极性电容C2和非极性电容C3，组成充电驱动电路(4)；其具体过程如下：步骤601、将非极性电容C2和电阻R15并联后接在所述芯片UC3843的第1引脚与第2引脚之间；步骤602、将所述芯片UC3843的第2引脚与充电模式控制电路(3)的输出端连接；步骤603、将所述芯片UC3843的第3引脚通过电阻R13与电流采样电路(2)的输出端连接；步骤604、将所述芯片UC3843的第4引脚通过非极性电容C3接地；步骤605、将所述芯片UC3843的第5引脚接地；步骤606、将电阻R12接在所述芯片UC3843的第4引脚与第8引脚之间；步骤607、将所述三极管Q2的基极通过电阻R14与所述芯片UC3843的第6引脚连接，将所述三极管Q2的发射极接地，并将所述三极管Q2的集电极引出导线，作为充电驱动电路(4)的PWM信号输出端；步骤七、连接Buck变换器电路(1)、电压源(6)、超级电容(5)和充电驱动电路(4)，组成超级电容多模式快速充电电路，具体过程为：步骤701、将Buck变换器电路(1)的输入端与电压源(6)的输出端连接，并将超级电容(5)与Buck变换器电路(1)的输出端连接；步骤702、将Buck变换器电路(1)的开关控制信号输入端与充电驱动电路(4)的PWM信号输出端连接。