一种超级电容的恒流-恒压充电电路的制作方法

本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种超级电容的恒流-恒压充电电路。

背景技术：

宽带电力载波(hplc)模块中，需要利用超级电容充放电管理单元来实现停电事件主动上报的功能。而超级电容一般采用恒流(cc)—恒压(cv)的充电方式，该方式在充电初期采用恒定大电流充电，当电容电压达到饱和值时，此时充电电流减小至零，并维持电容电压不变，即从恒流模式转换到恒压模式。

在恒流—恒压的充电方式中，当超级电容的充电电压接近饱和值时，此时如果还以恒定大电流充电，会导致超级电容内部温度过高而影响其容量特性，另外还会出现瞬间的过冲现象，使充电电压超出电容的额定工作电压，从而会导致电容容量减小、寿命缩短的问题。另外，在系统在掉电时，存储在超级电容上的电荷会通过充电电路发生泄漏，从而降低了电容的使用效率。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超级电容的恒流-恒压充电电路，用于解决现有恒流-恒压充电方式在充电电压接近饱和值时，继续以恒定大电流充电会导致超级电容内部温度过高而影响其容量特性，同时还会出现瞬间的过冲现象，使充电电压超出电容的额定工作电压，从而会导致电容容量减小、寿命缩短的问题；及在系统掉电时存在电荷泄漏，从而降低电容使用效率的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超级电容的恒流-恒压充电电路，所述恒流-恒压充电电路包括：电容电压采样模块、恒流反馈模块、恒压反馈模块、充电电流复制监测模块及充电电流输出模块；

所述电容电压采样模块连接于所述超级电容的一端，用于对所述超级电容进行电容电压采样；

所述恒流反馈模块连接于所述恒压反馈模块及所述充电电流复制监测模块，用于根据第一参考电压设定反馈电压以使两者大小相等，并根据所述第一参考电压和所述反馈电压产生一控制信号；

所述恒压反馈模块连接于所述电容电压采样模块及所述恒流反馈模块，用于根据采样电压和第二参考电压产生一调节电流，并使所述调节电流从零开始逐渐增大，在所述采样电压等于所述第二参考电压时所述调节电流达到最大；同时通过使所述恒压反馈模块的输出端接入所述恒流反馈模块的所述反馈电压，以使所述恒压反馈模块的输出端电压恒为所述反馈电压；

所述充电电流复制监测模块连接于所述恒流反馈模块及所述恒压反馈模块，用于在所述控制信号的控制下产生初级电流，并通过使所述恒压反馈模块的输出端电压恒定不变以使所述初级电流与所述调节电流互为反向变化，从而通过所述调节电流来调节所述初级电流；在所述调节电流为零时产生电流大小恒定的所述初级电流，在所述调节电流逐渐增大时产生电流大小逐渐减小的所述初级电流，在所述调节电流最大时所述初级电流为零；

所述充电电流输出模块连接于所述充电电流复制监测模块及所述超级电容的一端，用于对所述初级电流进行放大以产生充电电流，并在所述初级电流为恒定值时以恒流充电方式对所述超级电容进行充电，在所述初级电流为零时以恒压充电方式对所述超级电容进行充电，在所述初级电流逐渐减小时以逐渐减小的充电电流对所述超级电容进行充电，从而实现所述超级电容从恒流充电方式到恒压充电方式的平稳过渡。

可选地，所述电容电压采样模块包括：第一电阻及第二电阻，所述第一电阻的一端连接于所述超级电容的一端，所述第一电阻的另一端连接于所述第二电阻的一端，同时作为所述电容电压采样模块的输出端连接于所述恒压反馈模块的输入端，所述第二电阻的另一端接地。

可选地，所述恒流反馈模块包括：一差分输入运算放大器，所述差分输入运算放大器的同相输入端连接于所述恒压反馈模块的输出端，所述差分输入运算放大器的反相输入端接入第一参考电压，所述差分输入运算放大器的输出端作为所述恒流反馈模块的控制信号输出端连接于所述充电电流复制监测模块。

可选地，所述充电电流复制监测模块包括：第一mos管、第三电阻及第四电阻，所述第一mos管的栅极端连接于所述恒流反馈模块的控制信号输出端，同时作为所述充电电流复制监测模块的电流镜像控制端连接于所述充电电流输出模块，所述第一mos管的源极端接入系统电压，所述第一mos管的漏极端连接于所述第三电阻的一端及所述第四电阻的一端，所述第三电阻的另一端接地，所述第四电阻的另一端作为所述充电电流复制监测模块的电流调节控制端连接于所述恒压反馈模块的输出端。

可选地，所述充电电流输出模块包括：第二mos管，所述第二mos管的栅极端连接于所述第一mos管的栅极端，所述第二mos管的衬底端连接于其源极端，且均接入系统电压，所述第二mos管的漏极端连接于所述超级电容的一端；其中所述第一mos管和所述第二mos管构成电流镜，且流经所述第二mos管的电流是流经所述第一mos管的电流的n倍，n为大于1的正数。

可选地，所述恒流-恒压充电电路还包括：电流精确镜像复制模块，连接于所述第一mos管的漏极端及所述第二mos管的漏极端，用于使所述第一mos管的漏源电压等于所述第二mos管的漏源电压，从而提高电流镜像的精度。

可选地，所述电流精确镜像复制模块包括：轨对轨输入运算放大器、第三mos管及补偿电容，所述轨对轨输入运算放大器的同相输入端连接于所述第二mos管的漏极端，所述轨对轨输入运算放大器的反相输入端连接于所述第一mos管的漏极端及所述第三mos管的源极端，所述轨对轨输入运算放大器的输出端连接于所述第三mos管的栅极端及所述补偿电容的一端，所述第三mos管的漏极端连接于所述第三电阻的一端及所述第四电阻的一端，所述补偿电容的另一端接地。

可选地，所述恒流-恒压充电电路还包括：反向漏电防护模块，用于根据开关切换改变所述第二mos管的栅极端和衬底端的接入电压，以防止所述第二mos管中的寄生二极管在系统掉电时导通从而发生反向漏电。

可选地，所述反向漏电防护模块包括：

开关信号产生单元，用于对系统电压和电容电压进行比较，并在所述系统电压大于所述电容电压时产生第一开关控制信号，在所述系统电压小于所述电容电压时产生第二开关控制信号；

开关网络，连接于所述第二mos管的栅极端和衬底端，用于在所述第一开关控制信号的控制下，使所述第二mos管的栅极端连接于所述第一mos管的栅极端，其衬底端接入所述系统电压；并在所述第二开关控制信号的控制下，使所述第二mos管的栅极端及其衬底端均连接于所述超级电容的一端。

如上所述，本发明的一种超级电容的恒流-恒压充电电路，通过保持反馈电压恒定不变，以此通过所述电流调节模式输出的调节电流来反向调节所述充电电流复制监测模块产生的初级电流，从而完成对充电电流的调节，实现系统从恒流充电方式到恒压充电方式的平稳过渡。而且本发明还通过所述反向漏电防护模块的设计，实现即使在系统掉电时，充电电流输出模块中mos管的寄生二极管也不会发生导通，从而有效地解决了反向漏电问题。

附图说明

图1显示为本发明所述恒流-恒压充电电路的具体电路图。

图2显示为本发明所述恒流-恒压充电电路在系统未掉电时的等效电路图。

图3显示为本发明所述恒流-恒压充电电路在系统掉电时时的等效电路图。

图4显示为本发明所述恒压反馈模块的输出电流特性曲线示意图。

图5显示为本发明所述恒流-恒压充电电路的仿真波形示意图。

元件标号说明

100电容电压采样模块

200恒流反馈模块

300恒压反馈模块

400充电电流复制监测模块

500充电电流输出模块

600电流精确镜像复制模块

700反向漏电防护模块

701开关信号产生单元

702开关网络

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种超级电容的恒流-恒压充电电路，所述恒流-恒压充电电路包括：电容电压采样模块100、恒流反馈模块200、恒压反馈模块300、充电电流复制监测模块400及充电电流输出模块500；

所述电容电压采样模块100连接于所述超级电容cx的一端，用于对所述超级电容cx进行电容电压采样；

所述恒流反馈模块200连接于所述恒压反馈模块300及所述充电电流复制监测模块400，用于根据第一参考电压vref_cc设定反馈电压vc以使两者大小相等，并根据所述第一参考电压vref_cc和所述反馈电压vc产生一控制信号vcf；

所述恒压反馈模块300连接于所述电容电压采样模块100及所述反馈电压设定200模块，用于根据采样电压v_div和第二参考电压vref_cv产生一调节电流ir，并使所述调节电流ir从零开始逐渐增大，在所述采样电压v_div等于所述第二参考电压vref_cv时所述调节电流ir达到最大；同时通过使所述恒压反馈模块300的输出端接入所述恒流反馈模块200的所述反馈电压vc，以使所述恒压反馈模块300的输出端电压恒为所述反馈电压vc；

所述充电电流复制监测模块400连接于所述恒流反馈模块200及所述恒压反馈模块300，用于在所述控制信号vcf的控制下产生初级电流ip，并通过使所述恒压反馈模块300的输出端电压恒定不变以使所述初级电流ip与所述调节电流ir互为反向变化，从而通过所述调节电流ir来调节所述初级电流ip；在所述调节电流ir为零时产生电流大小恒定的所述初级电流ip，在所述调节电流ir逐渐增大时产生电流大小逐渐减小的所述初级电流ip，在所述调节电流ir最大时所述初级电流ip为零；

所述充电电流输出模块500连接于所述充电电流复制监测模块400及所述超级电容cx的一端，用于对所述初级电流ip进行放大以产生充电电流ich，并在所述初级电流ip为恒定值时以恒流充电方式对所述超级电容cx进行充电，在所述初级电流ip为零时以恒压充电方式对所述超级电容cx进行充电，在所述初级电流ip逐渐减小时以逐渐减小的充电电流ich对所述超级电容cx进行充电，从而实现所述超级电容cx从恒流充电方式到恒压充电方式的平稳过渡。

作为示例，如图1所示，所述电容电压采样模块100包括：第一电阻r1及第二电阻r2，所述第一电阻r1的一端连接于所述超级电容cx的一端，所述第一电阻r1的另一端连接于所述第二电阻r2的一端，同时作为所述电容电压采样模块100的输出端连接于所述恒压反馈模块300的输入端，所述第二电阻r2的另一端接地。本示例中，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2构成电阻分压网络，通过对所述超级电容cx的电容电压进行电阻分压以实现电容电压采样。

作为示例，如图1所示，所述恒流反馈模块200包括：一差分输入运算放大器a1，所述差分输入运算放大器a1的同相输入端连接于所述恒压反馈模块300的输出端，所述差分输入运算放大器a1的反相输入端接入第一参考电压vref_cc，所述差分输入运算放大器a1的输出端作为所述恒流反馈模块200的控制信号输出端连接于所述充电电流复制监测模块400。本示例中，利用所述差分输入运算放大器a1的闭环反馈使得其同相输入端电压恒等于其反相输入端电压，即使所述反馈电压vc恒等于所述第一参考电压vref_cc；同时通过对所述反馈电压vc和所述第一参考电压vref_cc进行差分运算放大以产生所述控制信号vcf，用来控制所述充电电流复制监测模块400中所述第一mos管m1的导通。需要注意的是，在实际应用中，所述第一参考电压vref_cc的值可根据实际需求的恒定充电电流值与第三电阻的阻值进行设定，本示例并不对其具体数值进行限定。

作为示例，所述恒压反馈模块300的输出电流特性曲线如图2所示：在所述采样电压v_div小于所述第二参考电压vref_cv时，所述恒压反馈模块300无输出，即其输出的调节电流ir为零；在所述采样电压v_div接近所述第二参考电压vref_cv时，所述恒压反馈模块300开始有电流输出，并且其输出的调节电流ir随着采样电压v_div的增大而增大；在所述采样电压v_div等于所述第二参考电压vref_cv时，所述恒压反馈模块300输出的所述调节电流ir达到最大。本示例中，“在所述采样电压v_div接近所述第二参考电压vref_cv时，所述恒压反馈模块300开始有电流输出，并且其输出的调节电流ir随着采样电压v_div的增大而增大”实际上是由所述恒压反馈模块300中的差分对负载管的不平衡所导致，其具体接近程度(即所述第二参考电压vref_cv与所述采样电压v_div之差)可通过调节差分对负载管的尺寸来改变，还可以调节所述恒压反馈模块300中的输入对管的尺寸来改变；但在实际调节过程中，由于该差值与功耗呈正比(即该差值越大，所需功耗越大，所述恒压反馈模块300输出的调节电流ir越大)，故需综合考虑。需要注意的是，在实际应用中，所述第二参考电压vref_cv的值可根据超级电容的满充电压与第一电阻r1和第二电阻r2的分压系数进行设定，本示例并不对其具体数值进行限定。

作为示例，如图1所示，所述充电电流复制监测模块400包括：第一mos管m1、第三电阻r3及第四电阻r4，所述第一mos管m1的栅极端连接于所述恒流反馈模块200的控制信号输出端，同时作为所述充电电流复制监测模块400的电流镜像控制端连接于所述充电电流输出模块500，所述第一mos管m1的源极端接入系统电压vpwrp，所述第一mos管m1的漏极端连接于所述第三电阻r3的一端及所述第四电阻r4的一端，所述第三电阻r3的另一端接地，所述第四电阻r4的另一端作为所述充电电流复制监测模块400的电流调节控制端连接于所述恒压反馈模块300的输出端。本示例中，在所述第一mos管m1基于所述恒流反馈模块200输出的控制信号vcf导通时，所述第一mos管m1所在支路产生初级电流ip；在所述恒压反馈模块300输出的调节电流ir为零时，由于所述第四电阻r4与所述恒压反馈模块300输出端连接的一端的电压为反馈电压vc且其恒等于第一参考电压vref_cc，故所述第四电阻r4的另一端电压(即节点vmon电压)也等于第一参考电压vref_cc，此时所述初级电流ip为一恒定值，其大小为vref_cc/r3；在所述恒压反馈模块300有电流输出时，所述第四电阻r4与所述恒压反馈模块300输出端的连接点处电压(即反馈电压)满足vc＝ir*r4+(ip+ir)*r3，由于反馈电压vc恒等于第一参考电压vref_cc，故在所述恒压反馈模块300输出的调节电流ir逐渐增大时，所述充电电流复制监测模块400产生的初级电流ip逐渐减小；在所述恒压反馈模块300输出的调节电流ir达到最大时，所述第四电阻r4与所述恒压反馈模块300输出端的连接点处电压(即反馈电压)满足vc＝ir*(r3+r4)，此时所述充电电流复制监测模块400产生的初级电流ip为零。

作为示例，如图1所示，所述充电电流输出模块500包括：第二mos管m2，所述第二mos管m2的栅极端连接于所述第一mos管m1的栅极端，所述第二mos管m2的衬底端连接于其源极端，且均接入系统电压vpwrp，所述第二mos管m2的漏极端连接于所述超级电容cx的一端；其中所述第一mos管m1和所述第二mos管m2构成电流镜，且流经所述第二mos管m2的电流ich是流经所述第一mos管m1的电流ip的n倍，n为大于1的正数。具体的，所述第二mos管m2实际上是由多个与所述第一mos管具有相同宽长比的mos管并联构成，其并联个数与电流镜像放大倍数n相关；在实际应用中，可根据实际需求选择并联的mos管的个数，从而来设定电流镜像放大倍数n的值，本示例并不对其具体数值进行限定。本示例中，在所述初级电流ip为恒定值vref_cc/r3时，所述充电电流输出模块500将该恒定值进行n倍放大后，以恒定电流n*vref_cc/r3为所述超级电容cx进行恒流充电，此时系统进入恒流充电阶段；在所述初级电流ip逐渐减小时，所述充电电流输出模块500将该逐渐减小的初级电流ip进行n倍放大后，以逐渐减小的充电电流对所述超级电容cx进行充电，此时系统进入过渡阶段；在所述初级电流ip为零时，所述充电电流输出模块500输出的充电电流ich也为零，此时系统进入恒压充电阶段。

作为示例，如图1所示，所述恒流-恒压充电电路还包括：电流精确镜像复制模块600，连接于所述第一mos管m1的漏极端及所述第二mos管的漏极端m2，用于使所述第一mos管m1的漏源电压等于所述第二mos管m2的漏源电压，从而提高电流镜像的精度。

具体的，如图1所示，所述电流精确镜像复制模块600包括：轨对轨输入运算放大器a2、第三mos管m3及补偿电容cc，所述轨对轨输入运算放大器a2的同相输入端连接于所述第二mos管m2的漏极端，所述轨对轨输入运算放大器a2的反相输入端连接于所述第一mos管m1的漏极端及所述第三mos管m3的源极端，所述轨对轨输入运算放大器a2的输出端连接于所述第三mos管m3的栅极端及所述补偿电容cc的一端，所述第三mos管m3的漏极端连接于所述第三电阻r3的一端及所述第四电阻r4的一端，所述补偿电容cc的另一端接地。本示例中，所述第三mos管m3对所述轨对轨输入运算放大器a2进行负反馈，通过利用所述轨对轨输入运算放大器a2的闭环负反馈，使得其同相输入端电压恒等于其反相输入端电压，即所述第一mos管m1的漏源电压恒等于所述第二mos管m2的漏源电压，从而提高电流镜中电流镜像放大倍数的精度，使电流镜像放大倍数更接近于n。

作为示例，如图1所示，所述恒流-恒压充电电路还包括：反向漏电防护模块700，用于根据开关切换改变所述第二mos管m2的栅极端和衬底端的接入电压，以防止所述第二mos管m2中的寄生二极管在系统掉电时导通从而发生反向漏电。

具体的，如图1所示，所述反向漏电防护模块700包括：

开关信号产生单元701，用于对系统电压vpwrp和电容电压vch进行比较，并在所述系统电压vpwrp大于所述电容电压vch时产生第一开关控制信号swb，在所述系统电压vpwrp小于所述电容电压vch时产生第二开关控制信号sw；

开关网络702，连接于所述第二mos管m2的栅极端和衬底端，用于在所述第一开关控制信号swb的控制下，使所述第二mos管m2的栅极端连接于所述第一mos管m1的栅极端，其衬底端接入所述系统电压vpwrp(具体如图3)；并在所述第二开关控制信号sw的控制下，使所述第二mos管m2的栅极端及其衬底端均连接于所述超级电容cx的一端(具体如图4)。

其中，所述开关信号产生单元701包括：比较器及反相器，所述比较器的同相输入端接入系统电压vpwrp，所述比较器的反相输入端连接于所述超级电容cx的一端，所述比较器的输出端连接于所述反相器的输入端，同时作为所述开关信号产生单元701的第一输出端用以输出所述第一开关控制信号swb，所述反相器的输出端作为所述开关信号产生单元701的第二输出端用以输出所述第二开关控制信号sw。所述开关网络702包括：第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，所述第一开关的第一连接端连接于所述第一mos管m1的栅极端，所述第一开关的第二连接端连接于所述第二mos管m2的栅极端及所述第二开关的第一连接端，所述第一开关的控制端连接于所述开关信号产生单元701的第一输出端用以接入所述第一开关控制信号swb，所述第二开关的第二连接端连接于所述超级电容cx的一端，所述第二开关的控制端连接于所述开关信号产生单元701的第二输出端用以接入所述第二开关控制信号sw，所述第三开关的第一连接端接入系统电压vpwrp，所述第三开关的第二连接端连接于所述第二mos管m2的衬底端及所述第四开关的第一连接端，所述第三开关的控制端连接于所述开关信号产生单元701的第一输出端用以接入所述第一开关控制信号swb，所述第四开关的第二连接端连接于所述超级电容cx的一端，所述第四开关的控制端连接于所述开关信号产生单元701的第二输出端用以接入所述第二开关控制信号sw。示例中，在系统掉电时，通过将所述第二mos管m2的栅极端和衬底端接入相对较高的电位以使其衬底到源漏端的寄生二极管不发生导通，从而避免了反向漏电问题的发生。

对本实施例所述恒流-恒压充电电路进行仿真，得到的仿真波形如图5所示；从图5中可以看出，本示例所述充电电路在整个充电阶段通过保持反馈电压vc不变的控制方式，实现了系统从恒流充电方式到恒压充电方式的平稳过渡；而且在系统从3.3v掉电到2.4v时，超级电容cx的电容电压保持恒定不变，即本实施例所述电路可有效防止反向漏电。

综上所述，本发明的一种超级电容的恒流-恒压充电电路，通过保持反馈电压恒定不变，以此通过所述电流调节模式输出的调节电流来反向调节所述充电电流复制监测模块产生的初级电流，从而完成对充电电流的调节，实现系统从恒流充电方式到恒压充电方式的平稳过渡。而且本发明还通过所述反向漏电防护模块的设计，实现即使在系统掉电时，充电电流输出模块中mos管的寄生二极管也不会发生导通，从而有效地解决了反向漏电问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。