采用超級電容器供電的功放電源系統(tǒng)設(shè)計

徐彭飛，毛勇軍，趙 國，鐘思翰，趙建明

(1.電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川成都610054；2.遂寧市東乘車輛有限公司，四川遂寧629000；3.四川綠然電子科技發(fā)展有限公司，四川遂寧629200)

采用超級電容器供電的功放電源系統(tǒng)設(shè)計

徐彭飛1，毛勇軍2，趙 國3，鐘思翰3，趙建明1

(1.電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川成都610054；2.遂寧市東乘車輛有限公司，四川遂寧629000；3.四川綠然電子科技發(fā)展有限公司，四川遂寧629200)

為了解決功放變壓、整流、濾波式電源的直流電壓不穩(wěn)定和便攜式蓄電池電源充電時間長、使用壽命短等問題，分析研究了超級電容器儲能系統(tǒng)的優(yōu)點，提出一種采用超級電容器供電的功放電源系統(tǒng)。采用四個超級電容器組構(gòu)成兩組正負(fù)電源，通過智能控制使兩組電源輪流充放電，能夠很好地解決上述問題，具有良好的使用前景。

功放電源；超級電容器；充放電；智能控制；儲能系統(tǒng)

在功放系統(tǒng)中，所有的功放設(shè)備都需要直流電源供電，除了少數(shù)便攜式功放采用蓄電池供電外，其余絕大多數(shù)功放設(shè)備均采用220 V交流市電經(jīng)變壓、整流、濾波后供電。用蓄電池供電的功放音色透明真實[1]且不存在紋波影響，但蓄電池對充電過程非常敏感、充放電速度慢，對環(huán)境溫度要求敏感，循環(huán)使用壽命短，維護復(fù)雜，會造成環(huán)境污染[2]，并且由于其功率密度小，等效串聯(lián)內(nèi)阻較大，大功率放電能力不足，導(dǎo)致蓄電池在大電流放電時會出現(xiàn)端電壓嚴(yán)重跌落的現(xiàn)象[3]。采用220 V市電進行供電時，需要經(jīng)變壓、整流、濾波變成直流電壓后進行供電。由于現(xiàn)有的整流濾波電路無法消除紋波電壓，會對音頻信號產(chǎn)生不同程度的噪音干擾，并且在音頻功率放大器工作時，受音頻信號的瞬時功率影響很大，其供電電壓的波動也很大，造成音頻信號不同程度的失真，直接影響音頻功率放大器的性能[4]。

超級電容器作為一種新型儲能元件，是近年來新型能源器件的一個研究熱點，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)到法拉級甚至數(shù)萬法拉，而且能在電極端電壓超過額定電壓的過充電狀態(tài)下不被擊穿。作為一種理想的新型能源器件，它的比功率和比能量介于常規(guī)電容器和充電電池之間，在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域里彌補了常規(guī)儲能器件的單方面缺陷[5]。此外，它還具有內(nèi)阻小、充放電效率高、循環(huán)壽命長、低溫性能優(yōu)越、無污染等優(yōu)點，這些優(yōu)點使得超級電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。在對電能具有隨機性、間歇性和突發(fā)性要求的應(yīng)用場合，通過利用超級電容器備用儲能裝置，可實現(xiàn)電源的快速、穩(wěn)定、靈活調(diào)節(jié)[6]。

針對瞬時高功率輸出的功放供電電路，采用超級電容器式直流供電，通過智能控制使超級電容器電源輪流充放電，不僅能避免變壓、整流、濾波式直流電源電壓受負(fù)載影響大而不穩(wěn)定，而且能解決便攜式蓄電池電源充電時間長、使用壽命短等問題，具有良好的使用前景。

1 系統(tǒng)硬件電路分析設(shè)計

結(jié)合功放超級電容器式電源系統(tǒng)既要有蓄電池恒壓供電的優(yōu)點，能利用交流市電不間斷的供電，又能充分利用超級電容的無充放電記憶效應(yīng)、允許上百萬次充放電而不會有任何容量上的損失，且具有極低的等效串聯(lián)電阻(ESR)，可以大電流充放電的優(yōu)勢[7]，該超級電容器電源系統(tǒng)包括超級電容器供電模塊、電源充電模塊及智能控制模塊。

1.1 超級電容器供電模塊電路設(shè)計

功放系統(tǒng)通常采用雙電源供電模式，因此本超級電容器供電電路采用四組超級電容器組構(gòu)成兩組正負(fù)電源，如圖1所示。C1～C4為四組超級電容器組，每組均含有數(shù)量相等且串聯(lián)的超級電容器，以一個超級電容器滿容量時兩端電壓為2.9 V為例，每組10個超級電容器串聯(lián)，能得到±29 V的直流電源。通過控制M1～M4四個MOS管的通斷使兩組電源輪流對外供電，在兩組電源供電切換過程中有個死區(qū)時間，此時間段由負(fù)載電容CP、CN供電。圖中D1～D4四支二極管保證開關(guān)支路僅為電源供電支路，避免正在供電的一組電源向另一組電源充電。

圖1 超級電容器供電電路原理圖

為了保證超級電容器的工作安全，在每個超級電容器兩端并聯(lián)一個如圖2所示的過壓保護電路。保護電路采用基準(zhǔn)電壓為1.5 V的穩(wěn)壓器LMV431，通過設(shè)置電阻R1、R2的比值來確定保護電路兩端的最大電壓，當(dāng)超級電容器兩端電壓大于保護電路的最大承受電壓時，三極管Q1導(dǎo)通使保護電路并聯(lián)的超級電容器短路，從而達(dá)到保護超級電容器的效果。

圖2 過壓保護電路原理圖

1.2 正負(fù)電源充電器模塊電路設(shè)計

由于采用兩組電源輪流供電，本設(shè)計采用兩組充電器，即正電源充電器和負(fù)電源充電器，其模塊如圖3所示。正電源充電器負(fù)責(zé)兩組電源的正電源超級電容器組充電，負(fù)電源充電器負(fù)責(zé)兩組電源的負(fù)電源超級電容器組充電，M5～M8四個MOS管的通斷控制充電器是否對超級電容器組充電，每組充電器的兩個MOS開關(guān)不能同時打開，而控制同一電源充電的兩個MOS開關(guān)同步通斷，由此實現(xiàn)兩組電源輪流充放電。結(jié)合超級電容器可以承受大電流特性，本設(shè)計采用220 V市電恒流充電的充電方式。

圖3 正負(fù)電源充電器模塊圖

為了實現(xiàn)智能充放電的功能，在各個超級電容器組兩端并聯(lián)一個智能充放電檢測模塊。充放電檢測模塊包括充電檢測電路(如圖4左所示)和放電檢測電路(如圖4右所示)。充放電檢測電路均采用基準(zhǔn)電壓為2.5 V的穩(wěn)壓器TL431，并通過光電耦合器隔離產(chǎn)生邏輯電平。當(dāng)超級電容器組充電電壓達(dá)到預(yù)設(shè)定電壓值時，充電檢測電路中DW2導(dǎo)通，檢測輸出端C由高電平變?yōu)榈碗娖?。同樣?dāng)超級電容器組放電電電壓下降到預(yù)設(shè)定電壓值時，放電檢測電路中DW3關(guān)閉，檢測輸出端D由高電平變?yōu)榈碗娖?。檢測輸出端C、D的檢測信號反饋到PC控制器中，通過程序發(fā)出脈沖控制相對應(yīng)的MOS開關(guān)器件通斷，從而實現(xiàn)智能充放電的效果。

圖4 智能檢測電路原理圖

1.3 智能控制模塊及MOS管驅(qū)動電路設(shè)計

實現(xiàn)兩組電源智能輪流充放電的關(guān)鍵控制器件是M1～M8八只MOS管，所以控制M1、M2、M6、M8和M3、M4、M5、M7的輪流通斷便能實現(xiàn)輪流充放電的功能。本設(shè)計采用以MCU為控制中心的智能控制，如圖5所示。當(dāng)PC控制器的四組充放電檢測信號輸入端電平變化時，相對應(yīng)間接控制M1～M8 MOS管的脈沖輸出端SVG1～SVG8輸出相應(yīng)的電平使M1、M2、M6、M8和M3、M4、M5、M7的輪流通斷。

圖5 MCU控制脈沖示意圖

圖6 開關(guān)器件控制原理圖

由于M1～M8八只MOS管的源極電壓在時刻變化，如何能夠使用邏輯電平來驅(qū)動MOS管是設(shè)計的關(guān)鍵。如圖6所示，本設(shè)計采用光電耦合器隔離使邏輯電平轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電壓，并采用浮電位來驅(qū)動MOS管，使驅(qū)動電壓不受MOS管源極電壓變化的影響。為了避免控制電平相互干擾，本設(shè)計采用同軸變壓器經(jīng)降壓、整流、濾波得到八組直流電壓VDD1～VDD8，當(dāng)SVG為高電平時，光電耦合器光電管導(dǎo)通，VGS近似等于VDD，驅(qū)動MOS管導(dǎo)通；反之，當(dāng)SVG為低電平時，光電耦合器光電管關(guān)斷，VGS等于0，驅(qū)動MOS管關(guān)斷。

2 結(jié)論

本文通過分析功放采用蓄電池供電和220 V交流市電供電的優(yōu)缺點，并結(jié)合超級電容器兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電電池比能量高、可快速充放電而且壽命長的優(yōu)點[8]，提出一種采用超級電容器供電的功放電源系統(tǒng)。采用四個超級電容器組構(gòu)成兩組正負(fù)電源，通過智能控制使兩組電源輪流充放電，不僅能避免變壓、整流、濾波式直流電源電壓受負(fù)載影響大而不穩(wěn)定，而且能解決便攜式蓄電池電源充電時間長、使用壽命短等問題，具有良好的使用前景。

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[2]張慧妍.超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京：中國科學(xué)院電工研究所電力系統(tǒng)及其自動化，2006.

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Design of power amplifier power source system using ultra-capacitor supply

In order to solve the instability of power supply's dc voltage formed by transformer,rectifier and filter and settle charging long-time,short service life of portable battery power,advantages of ultra-capacitor energy storage system were researched and a sort of power amplifier power source system using ultra-capacitor supply was put forward.By using four ultra-capacitors to compose two groups of positive and negative power supply and making them charge and discharge power in turn through intelligent control,the above problems could be effectively solved and this design had good practical prospect.

power amplifier power source;ultra-capacitor;charge and discharge;intelligent control;energy storage system

TM 53

A

1002-087 X(2016)03-0591-03

2015-08-22

四川省2012年科技支撐計劃

徐彭飛(1987—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向為新型功率半導(dǎo)體器件與集成電路和系統(tǒng)。