电源技术中的一种掉电后备电源的设计方案

导读：文介绍了一种掉电后备电源的设计，采用超级电容作为储能元件可长期浮充，大电流放电，提高了使用寿命；采用升压型拓扑，优化了超级电容容量配置，可在5V@5A条件下可在5V@5A 条件下，持续工作10s,并在电容因欠压停止工作时，可迅速关断输出，输出电压单调下降，不产生振荡，电性指标满足绝大。
　　1 引言
　　测量仪器、数据采集系统、伺服系统以及机器人等重要单元或关键部件需在非正常掉电时进行状态记录和必要的系统配置，使用电池往往由于长期浮充致使寿命减少，且需定期更换。超级电容器（Super Capacitor）兼有常规电容器功率密度大、充电电池比能量高的优点，可进行高效率快速充放电，且可长 【电源技术中的一种掉电后备电源设计方案】 在电源技术领域，设计一款高效的掉电后备电源至关重要，尤其是在关键设备如测量仪器、数据采集系统、伺服系统和机器人等需要在非正常断电时保持运行的场景。传统的电池解决方案由于长期浮充导致寿命缩短，需要定期更换，而超级电容器作为一种新型储能元件，具有高功率密度、快速充放电能力和长寿命，成为理想的替代方案。 本文介绍的掉电后备电源设计采用超级电容作为储能元件，能够进行长期浮充和大电流放电，从而提高了整体系统的使用寿命。设计中，选择了升压型拓扑结构，通过优化超级电容的容量配置，确保在5V@5A的条件下可以连续工作10秒。当电容电压低于阈值时，系统能够迅速关闭输出，避免电压振荡，保证输出电压平稳下降，满足电气性能要求。 在具体设计过程中，超级电容的容量选取是一个关键因素。考虑到需要提供短暂的掉电保护，设计者采用尽量小的电容容量以延长工作时间。通过对比Buck、Buck-Boost和高频变压器隔离等多种拓扑结构，最终选择了非隔离升压拓扑，这种拓扑能够在经济性、效率和功率密度方面达到良好的平衡。在这个设计中，超级电容的电压范围为3V-5V，最大输入电流为18A-20A，输出电压为+5V@5A，保持时间为10秒。 在主功率设计中，采用了Boost升压电路，包括超级电容、Boost拓扑和LC滤波部分。MOSFET和电感的选择需考虑高电流承载能力和热管理，以防止过流或电感饱和导致的损坏。同时，LC滤波电路有助于降低电压纹波，提高输出稳定性。 驱动控制部分采用UCC2813芯片，设定开关频率为100kHz，直接驱动MOSFET，实现高效转换。 在关断电路设计上，采用了TL431基准电路和LM339运放比较电路组成的滞环比较器，当超级电容电压低于3.5V时，系统将可靠地关闭输出，确保电压单调下降，避免产生不必要的波动。 实验结果显示，该设计在满载5A和空载条件下，输出电压和控制占空比波形稳定，电压纹波控制良好，关断过程符合预期，证明了设计方案的有效性和可靠性。 这款基于超级电容的掉电后备电源设计方案结合了超级电容的优越特性，实现了高效、快速响应和可靠的电源保护，为关键设备提供了安全、稳定的备用能源，适用于多种对电源稳定性要求较高的应用场景。