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一种基于超级电容的机电仪表掉电保护方案 林茂疆，鄢萍，刘飞 ，易润忠 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 （400030） E-mail：lin850306@163.com 摘要：针对机电仪表高可靠性的需求和恶劣工业运行环境的矛盾，设计了一种基于超级电容 的掉电保护方案。采用超级电容作为后备电源在系统失电时为系统供电，针对超级电容快速 充放电的特性，设计了相应的外围电路，并采用 BOOST 电路提高电容能效；软件完成掉电检 测、保存数据、关闭系统的功能。通过实验验证了方案，并成功应用在一款产品上。 关键词：超级电容；机电仪表；掉电保护 中图分类号：TP303+.3 文献标识码：A 1 引言 机电仪表运行环境中的电网电压波动、感性负载的瞬态变化都严重干扰机电仪表的正常 供电和运行，会带来关键数据的丢失和控制失效等严重的后果。现有的机电仪表电源可靠性 设计一般采用充电电池作为后备电源，存在着掉电保护时间过短、充电电流过大、使用寿命 短[1]、无法与通用小电流输出的单片 BUCK IC 进行板级集成等问题。超级电容具有功率密 度大、比充电电池能量高，可进行高效率快速充放电，并可长期浮充，比充电电池充电寿命 长[2]等优点。本文利用超级电容作为机电仪表后备电源，设计了一种基于超级电容的、可采 用 3A 输出的通用单片 BUCK IC 进行供电的掉电保护电路，并结合系统软件对关键数据和 程序进行保存处理，保证运行系统的安全可靠。 2 系统硬件设计 实现掉电保护功能需要设计掉电检测触发电路、超级电容充放电控制电路、超级电容效 能提高电路三个模块。当前的机电仪表硬件结构一般都包括微控制器及其接口电路、模拟量 输入输出电路、开关量输入输出电路、数据通信接口电路、人机交互通道等[3]。系统掉电时， 超级电容需要给上述模块供电，在一款多路数据采集器上实测得需要 100mA 电流。在上述 多路数据采集器中每组数据采集完成需要 10s 左右，同时一些紧急控制需要立即进行输出控 制，并检测控制是否完成，此外留出相应的系统处理时间余量，基于上述考虑要求超级电容 掉电时为系统提供 30s 的供电时间。 为了实现板级集成，便于采用 3A 输出的通用单片 BUCK IC 进行整板供电，超级电容 充放电主要技术指标如下：充电电压 5V，充电电流小于 2A，恒流供电 100mA，1s 内快速 充满电，持续放电 30s。 2.1 硬件方案选择 在硬件总体方案选择时，需要重点解决的问题是主供电回路和备用电源之间的切换方 式。针对这一问题，本文设计了两个方案：离线式拓扑结构和在线式拓扑结构，并通过实验 国家创新基金项目（07C26215111917）；教育部“新世纪优秀人才支持计划”；重庆市自然 科学基金项目（CSTC.2006BB2237）  检验了两个方案的性能。离线式拓扑结构的方案如图 1 所示： 图 1 超级电容离线式拓扑图 Fig.1 Super-capacitor Off-line Diagram 图 1 中超级电容被充电到额定值后，由控制电路切断与主供电通道，作为后备电源不参 与系统的正常工作状态下的供电。当系统掉电或处于欠压状态时，供电切换开关动作，由超 级电容通过效能提高电路对系统进行供电并完成相应的保护操作。该方案超级电容充电完成 后被关闭，只有系统掉电时才工作，使用寿命长；超级电容能充电至额定值，存储电能量大。 但是供电切换会有明显的电压跌落，可能会造成系统断电，无法实现主供电电路与后备供电 之间的无缝衔接，特别是在大负载情况下，现象更为明显。 图 2 超级电容在线式拓扑图 Fig.2 Super-capacitor On-line Diagram 图 2 为在线式拓扑结构的方案图。在该方案中超级电容被充电到额定值后并不被关闭， 主供电与超级电容一起通过效能提高电路对系统进行供电。当系统掉电后超级电容立即对系 统供电，同时掉电检测触发电路发出掉电信号，CPU 进行数据的紧急处理。该方案供电切 换不存在电压跌落现象，当电路有瞬态的电压波动，超级电容还具有吸收滤波的功能，省去 了供电切换开关电路，系统更为简单，效率更高。但也存在电容无法充电至额定值，电能利 用率稍低和长时间在线工作缺点。  综合比较上述两个方案，离线式拓扑结构中供电切换产生的电压严重跌落在实际应用中 会造成系统重启。为了消除隐患，并降低硬件设计成本，本方案硬件结构采用图 2 中的超级 电容在线式拓扑结构。 2.2 充放电控制电路设计 超级电容一般采用双电层技术，具有较低的内阻，上电时，会产生较大的冲击电流，可 能会损坏主 DC-DC 变换器。设计中既要保证超级电容充放有效的电量，即充放电深度，又 考虑到充放电时控制的方便和可操作性，通常采用恒压充电、恒流放电的方式。