基于超级电容的掉电报警系统

2013-12-05顾庆华

电子与封装 2013年4期

顾庆华

（上海交通大学，上海 200240）

1 超级电容的概念及特点

1.1 概念

超级电容又叫法拉电容，超级电容的容量比普通的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其他种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

1.2 特点

（1）充电速度快，充电10 s～10 min可达到其额定容量的95%以上；（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达50万次，没有记忆效应；（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；（4）功率密度高，可达300 W/kg～5 000 W/kg，相当于电池的5～10倍；（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；（7）超低温特性好，温度范围宽达-40℃～+70℃；（8）检测方便，剩余电量可直接读出；（9）单体容量范围通常在0.1 F～1 000 F。

2 掉电报警系统

2.1 降压电路

由于超级电容的电压一般都比较低，本文所选超级电容的最大工作电压为2.5 V，考虑到电容的使用寿命，把充电电压设定为2 V左右，由于我们的系统电压是5 V，所以需要通过降压电路先把电压降为2.2 V。本文选用National Semiconductor公司的LP38690SD-ADJ开关芯片，2.2 V后面追加一颗二极管，输出超级电容的充电电压2 V。二极管采用肖特基二极管，压降大约为0.3 V。二极管在这里有两个作用，一是产生压降，使得电容充电电压降为2 V，二是在电容放电时防止给降压芯片反向充电。

图1 系统结构图

2.2 充电控制电路

本文采用电流控制方式给超级电容充电，如图2所示。R采用阻值很小的sensor电阻，阻值为0.1 Ω，通过反馈电路来控制充电电流。反馈电路采用比较器，比较电压为54 mV，当sensor电阻上的电压超过设定电压54 mV的时候，比较器翻转，关断充电电路。同时可以知道超级电容充电电流I= U/R=0.54 A。

图2 充电示意图

表1 充电时间和电容容量的关系

表1显示的是充电时间和电容容量的关系，可以看出充电时间相当快，10 min之内已经到达电容容量的95%。可以验证充电电流大小比较适中。

2.3 掉电检测

掉电检测采用简单的电阻分压，用于检测系统电压，一旦外部电压低于系统设定的最低电压值，掉电检测信号就会启动逻辑控制电路，从而使能掉电报警。这里需要注意的是分压电阻尽量选大一点，以减少漏电流，本文选择的是200 kΩ100 kΩ。

2.4 逻辑控制电路

逻辑控制电路主要用来使能掉电报警。正常的关机流程或者外部电源还正常的话，逻辑控制电路不使能掉电报警，当外部电源意外掉电，或电压降低到系统不可正常工作的时候，逻辑控制电路使能掉电报警。在报警过程中，系统提供接口用于关闭报警。本文使用D锁存器来构成所需要的逻辑控制，Texas Instruments公司的CD74HC74M能满足设计要求。

2.5 频率发生电路

频率发生电路的主要功能是产生两个频率，一个是蜂鸣器驱动频率，另一个是报警的节奏频率。555[2]定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子元件，其功能全，适用范围广。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成单稳态电路、多谐振荡器以及施密特触发器等脉冲产生电路。本文用TLC556（工作电压可低至1.8 V）控制器产生频率，经济实用，一个为4 kHz另一个为0.8 Hz，4 kHz的用于驱动蜂鸣器工作，0.8 Hz的用于控制报警的节奏。蜂鸣器选用村田电子公司的PKLCS1212E4001-R1，LED选用普通的贴片发光二极管即可。

2.6 升压电路

当外部电源意外掉电，超级电容开始作为备用电池来为报警电路提供电源，由于电容充电电压为2 V左右，而掉电报警系统所设计的电压为3.3 V，所以本文用一个升压电路把超级电容放电电压由2 V升压至3.3 V，提供报警系统电压（包括电容充电控制电路、逻辑控制电路、频率发生电路、蜂鸣器电压，LED发光电压）。本文选用安森美半导体公司的NCP1450ASN33T1G作为升压芯片。

3 超级电容的选择

超级电容的计算及相关参数如下：

占空比0.4；系统电压2.7 V；报警器功耗0.064 8 W，蜂鸣器功耗0.04 W，555功耗0.002 W，总功耗0.106 8 W；LED额定电流0.024 A，蜂鸣器电流0.014 8 A，555芯片电流0.000 74 A，总电流0.039 6 A；设计时间60 s；总能量6.408 J；DZ-2R5D206K8T超级电容C=10 F，备用时间46.17 s，内部阻抗@(1 kHz)为60 mΩ，温度因子5.656 854，最大额定电压2.5V，电压因子1.25，使用寿命1 000 h，年损耗因子0.7，漏电流0.4 mA，V0(初始电压)=2 V，V1(截止电压)= 0.9 V，测试温度70 ℃，工作温度45 ℃，预计使用时间(低于出厂容量30%)7 071.068 h，使用年限5 Y。

具体计算过程为：系统电压V=3.3-0.6=2.7 V，0.6 V为二极管压降，LED报警的电流ILED= 0.06 A，占空比为0.4，所以实际LED的功耗LED power=V×I=0.0648 W，Buzzer power=0.04W，555 timer power=0.002 W，PTotal=LED power+Buzzer power+555 timer power= 0.1068 W，ITotal= PTotal/U=0.04 A，设计要求为60 s，t= CV/i = C x (V0-ixR-V1)/(I+iL)[3]，t为电容备用时间，C为超级电容的容量，V0为超级电容初始电压，V1为超级电容截止电压，i为负载电流，iL为漏电流，R为超级电容内阻@1 kHz。本文选择Elan_DZH系列DZ-2R5D106T，V0= 2 V，V1=0.9 V，i=0.04 A，iL=0.4 mA，R=60 mΩ，C=10 F，加上电容的年损耗因子0.7，预算5年后的报警时间t=46 s，如表2所示，5年后仍基本符合设计要求。

表2 电容使用年数和掉电报警能支持的时间

4 系统测试与分析

4.1 系统测试

测试设备及其型号如下：示波器Agilent DSO7054A；示波器探头Agilent 10073c；万用表Fluke 17B；分贝计SL-4112；秒表IR-055。

测试步骤与结果：

①正常关机测试

按下系统启动/关机按钮，等待系统正常关闭，拿掉外部电源、内部电池，记录报警状况：没有报警发生；

②掉电报警时间

正常开机，首先将超级电容充电10 min，确保将超级电容充满，在启动状态下，拔掉外接直流电源和内置电池，模拟系统意外掉电，系统此时声光报警，秒表按下直到电容耗尽，报警结束按下秒表，记录时间：230 s；

③报警声音

在报警过程中用示波器探头测试蜂鸣器驱动频率测试点，记录驱动频率：3.94 kHz；在报警过程中用分贝计尽量靠近蜂鸣器（蜂鸣器规格书的分贝测量有效范围10 cm以内），读取分贝数：78 dB；

④报警灯闪烁频率

在报警过程中用示波器探头测试报警灯驱动频率测试点，记录驱动频率：0.78 Hz；

⑤报警关闭使能

在报警过程中按下启动/关机按钮，报警是否可以关闭：是。

4.2 结果分析

测试步骤与结果中的①和⑤验证了逻辑控制的正确性，②显示报警时间超过设计要求的时间，验证了电池容量满足设计要求，至于报警时间远大于设计要求时间，是因为充分考虑了5年的使用寿命和降额因子，以求5年内都可以使报警时间在60 s的设计要求上。③和④分别通过示波器测试驱动频率来验证所设计的驱动频率是否在设计范围内，以便蜂鸣器和报警灯能工作在正常范围。同时③中通过分贝计间接验证了蜂鸣器驱动频率的正确性。通过上面的测试结果，充分验证了此报警系统是一款有效、准确、智能的报警系统。