采用超級電容器供電的功放電源系統設計

徐彭飛，毛勇軍，趙 國，鐘思翰，趙建明

(1.電子科技大學微電子與固體電子學院，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設計

徐彭飛1，毛勇軍2，趙 國3，鐘思翰3，趙建明1

(1.電子科技大學微電子與固體電子學院，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的優點，提出一種采用超級電容器供電的功放電源系統。采用四個超級電容器組構成兩組正負電源，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

在功放系統中，所有的功放設備都需要直流電源供電，除了少數便攜式功放采用蓄電池供電外，其余絕大多數功放設備均采用220 V交流市電經變壓、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，對環境溫度要求敏感，循環使用壽命短，維護復雜，會造成環境污染[2]，并且由于其功率密度小，等效串聯內阻較大，大功率放電能力不足，導致蓄電池在大電流放電時會出現端電壓嚴重跌落的現象[3]。采用220 V市電進行供電時，需要經變壓、整流、濾波變成直流電壓后進行供電。由于現有的整流濾波電路無法消除紋波電壓，會對音頻信號產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，它與常規電容器不同，其容量可達到法拉級甚至數萬法拉，而且能在電極端電壓超過額定電壓的過充電狀態下不被擊穿。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電容器和充電電池之間，在眾多的應用領域里彌補了常規儲能器件的單方面缺陷[5]。此外，它還具有內阻小、充放電效率高、循環壽命長、低溫性能優越、無污染等優點，這些優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、間歇性和突發性要求的應用場合，通過利用超級電容器備用儲能裝置，可實現電源的快速、穩定、靈活調節[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載影響大而不穩定，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 系統硬件電路分析設計

結合功放超級電容器式電源系統既要有蓄電池恒壓供電的優點，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、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電阻(ESR)，可以大電流充放電的優勢[7]，該超級電容器電源系統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計

功放系統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成兩組正負電源，如圖1所示。C1～C4為四組超級電容器組，每組均含有數量相等且串聯的超級電容器，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，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時間，此時間段由負載電容CP、CN供電。圖中D1～D4四支二極管保證開關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一個如圖2所示的過壓保護電路。保護電路采用基準電壓為1.5 V的穩壓器LMV431，通過設置電阻R1、R2的比值來確定保護電路兩端的最大電壓，當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導通使保護電路并聯的超級電容器短路，從而達到保護超級電容器的效果。

圖2 過壓保護電路原理圖

1.2 正負電源充電器模塊電路設計

由于采用兩組電源輪流供電，本設計采用兩組充電器，即正電源充電器和負電源充電器，其模塊如圖3所示。正電源充電器負責兩組電源的正電源超級電容器組充電，負電源充電器負責兩組電源的負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開關不能同時打開，而控制同一電源充電的兩個MOS開關同步通斷，由此實現兩組電源輪流充放電。結合超級電容器可以承受大電流特性，本設計采用220 V市電恒流充電的充電方式。

圖3 正負電源充電器模塊圖

為了實現智能充放電的功能，在各個超級電容器組兩端并聯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電壓為2.5 V的穩壓器TL431，并通過光電耦合器隔離產生邏輯電平。當超級電容器組充電電壓達到預設定電壓值時，充電檢測電路中DW2導通，檢測輸出端C由高電平變為低電平。同樣當超級電容器組放電電電壓下降到預設定電壓值時，放電檢測電路中DW3關閉，檢測輸出端D由高電平變為低電平。檢測輸出端C、D的檢測信號反饋到PC控制器中，通過程序發出脈沖控制相對應的MOS開關器件通斷，從而實現智能充放電的效果。

圖4 智能檢測電路原理圖

1.3 智能控制模塊及MOS管驅動電路設計

實現兩組電源智能輪流充放電的關鍵控制器件是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輪流充放電的功能。本設計采用以MCU為控制中心的智能控制，如圖5所示。當PC控制器的四組充放電檢測信號輸入端電平變化時，相對應間接控制M1～M8 MOS管的脈沖輸出端SVG1～SVG8輸出相應的電平使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動MOS管是設計的關鍵。如圖6所示，本設計采用光電耦合器隔離使邏輯電平轉換為驅動電壓，并采用浮電位來驅動MOS管，使驅動電壓不受MOS管源極電壓變化的影響。為了避免控制電平相互干擾，本設計采用同軸變壓器經降壓、整流、濾波得到八組直流電壓VDD1～VDD8，當SVG為高電平時，光電耦合器光電管導通，VGS近似等于VDD，驅動MOS管導通；反之，當SVG為低電平時，光電耦合器光電管關斷，VGS等于0，驅動MOS管關斷。

2 結論

本文通過分析功放采用蓄電池供電和220 V交流市電供電的優缺點，并結合超級電容器兼有常規電容器功率密度大、充電電池比能量高、可快速充放電而且壽命長的優點[8]，提出一種采用超級電容器供電的功放電源系統。采用四個超級電容器組構成兩組正負電源，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載影響大而不穩定，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]從余.電池供電的FET甲類6 W功放[J].實用電子文摘，1996 (10):1-3.

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

[3]唐西勝.超級電容器儲能應用于分布式發電系統的能量管理及穩定性研究[D].北京：中國科學院電工研究所，2006.

[4]趙建明，徐彭飛，廖智，等.放大器用超級電容器式電池供電系統：中國，201410192237.4[P].2014-05-09.

[5]勞斯佳，尹忠東，單任仲.超級電容器儲能控制技術研究[J].電源技術，2009(4):269-272.

[6]張慧妍，程楠，景陽.超級電容器儲能系統的應用研究綜述[J].電力電子技術，2011(12):51-53.

[7]蘇謝祖，顏鋼鋒.一種新型恒功率超級電容器快速充電機設計[J].電子技術應用，2010(8):73-76.

[8]李薦，鐘暉，鐘海云，等.超級電容器應用設計[J].電源技術，2004 (6):388-391.

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體器件與集成電路和系統。