掉电保存电路、掉电保存装置以及PLC设备的制作方法

掉电保存电路、掉电保存装置以及plc设备
技术领域
1.本实用新型涉及plc供电技术领域，特别涉及一种掉电保存电路、掉电保存装置以及plc设备。


背景技术：

2.目前，plc设备通常采用电解电容，来实现对其中最小系统的掉电保存功能，但电解电容存在占用pcb面积较大的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的是提供一种掉电保存电路，旨在解决电解电容占用pcb板面积较大的问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提出的掉电保存电路，所述掉电保存电路包括：
5.储能电路；以及，
6.供电控制电路，所述供电控制电路的第一输入端与电源电路连接，所述供电控制电路的第二输入端与储能电路的输出端连接，所述供电控制电路的输出端与负载的电源端连接；
7.所述供电控制电路，用于在检测到所述电源电路掉电时，接入所述储能电路放电输出的放电电压，并输出至所述负载的电源端，以为所述负载提供电能。
8.可选地，所述储能电路包括超级电容和第一电阻，所述超级电容和所述第一电阻并联组成一储能单元；
9.所述储能单元的数量为一个，或者，所述储能单元的数量为多个，多所述储能单元串联连接。
10.可选地，所述储能单元的数量为n个，第一个所述储能单元中超级电容的负极接地；
11.所述储能电路还包括第一二极管和第一过流保护器件，所述第一二极管的阳极与第n个所述储能单元中超级电容的正极连接，所述第一二极管的阴极为所述储能电路的输出端，所述第一过流保护器件与所述第一二极管并联连接。
12.可选地，所述供电控制电路的第一输入端与所述供电控制电路的第二输入端之间有设有连接通路。
13.可选地，所述供电控制电路包括：
14.滞回电路，所述滞回电路的检测端连接于所述连接通路上，所述滞回电路用于在检测到所述连接通路上的电压值不小于第一预设电压阈值时，输出的第一开关控制信号；在检测到所述连接通路上的电压值小于第二预设电压阈值时，输出第二开关控制信号；
15.开关电路，所述开关电路的输入端连接于所述连接通路上，所述开关电路的输出端为所述供电控制电路的输出端，所述开关电路的受控端与所述滞回控制电路的输出端连接，所述开关电路用于在接收到第一开关控制信号时导通，以将所述连接通路与所述负载
的电源端连接；在接收到第二开关控制信号时关断，以将所述连接通路与所述负载的电源端的连接断开。
16.可选地，所述滞回电路包括：第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、稳压器件、第一电容以及第一开关器件，所述第二电阻的第一端为所述滞回电路的检测端，所述第二电阻的第一端分别与第四电阻的第一端以及第一开关器件的输入端连接，所述第二电阻的第二端经所述第三电阻接地，所述第一电容和所述第三电阻并联连接，所述第二电阻的第二端还与所述稳压器件的受控端连接，所述第四电阻的第二端经所述第五电阻与所述稳压器件的输入端连接，所述稳压器件的输出端接地，所述第一开关器件的受控端与所述第四电阻的第二端连接，所述第一开关器件的输出端经所述第七电阻接地，所述第一开关器件的输出端为所述滞回电路的输出端，所述第一开关器件的输出端还经第六电阻与所述稳压器件的受控端连接。
17.可选地，所述开关电路包括：第八电阻、第九电阻、第二电容、第三电容、第二开关器件和第三开关器件，所述第二开关器件的受控端为所述开关电路的受控端连接，所述第二开关器件的输入端与所述第三开关器件的受控端连接，所述第二开关器件的输出端接地，所述第二开关器件的输出端还经第二电容与所述第二开关器件的受控端连接，所述第三开关器件的输入端为所述开关电路的输入端连接，所述第三开关器件的输出端为所述开关电路的输出端，所述第三开关器件的受控端还经所述第九电阻与所述第三开关器件的输入端连接，所述第三开关器件的受控端还经所述第八电阻和所述第三电容与所述第三开关器件的输入端连接。
18.可选地，所述第一预设电压阈值大于所述第二预设电压阈值。
19.本实用新型还提出一种掉电保存装置，所述掉电保存装置包括如上述的掉电保存电路。
20.本实用新型还提出一种plc设备，所述plc设备包括如上述的掉电保存电路；
21.或者，包括如上述的掉电保存装置。
22.本实用新型技术方案通过采用储能电路和供电控制电路组件构建掉电保存电路，并使供电控制电路在检测到电源电路掉电时，接入储能电路中超级电容cs放电输出的放电电压，并输出至负载的电源端，以为负载提供电能。本实用新型技术方案通过采用超级电容cs等功率密度高较高的储能器件来构建组成储能电路，以代替电解电容，以在相同电容量相同的前提下，可占用更小的电路板面积，从而解决了电解电容占用pcb板面积较大的问题，有利于优化pcb板上的器件布局，且功率密度高较高的储能器件相较于相同电容量的电解电容成本更低，因而还可降低plc设备的整体成本。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
24.图1为本实用新型掉电保存电路一实施例的模块示意图；
25.图2为本实用新型掉电保存电路一实施例的电路结构示意图；
26.图3为本实用新型掉电保存电路一实施例中储能电路的电流流向示意图；
27.图4为本实用新型掉电保存电路一实施例中滞回电路在plc设备上电时的电流流向示意图；
28.图5为本实用新型掉电保存电路一实施例中滞回电路在plc设备下电时的电流流向示意图；
29.图6为本实用新型掉电保存装置一实施例的工作时序示意图。
30.附图标号说明：
[0031][0032]
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0034]
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
[0035]
本实用新型提出一种掉电保存电路。
[0036]
参照图1至图6，在一实施例中，该掉电保存电路包括：
[0037]
储能电路10；以及，
[0038]
供电控制电路20，所述供电控制电路20的第一输入端与电源电路30连接，所述供电控制电路20的第二输入端与储能电路10的输出端连接，所述供电控制电路20的输出端与负载40的电源端连接；
[0039]
所述供电控制电路20，用于在检测到所述电源电路30掉电时，接入所述储能电路10放电输出的放电电压，并输出至所述负载40的电源端，以为所述负载40提供电能。
[0040]
本实施例中，储能电路10可基于超级电容cs等功率密度高较高的储能器件所构建组成，并作为电源电路30的备用电源。超级电容cs可在plc设备正常上电时，接入充电电压充电，以将电能转换为化学能存储。需要说明的是，超级电容cs相较于电解电容而言功率密度高，在电容量相同的前提下，可具备更小的体积，因而可大大降低储能电路10作为备用电源在电路板上所占用的空间面积。
[0041]
供电控制电路20的两输入端可分别与电源电路30以及储能电路10的输出端连接，其中，电源电路30可为plc设备中的调压电路。在图2所示实施例中，电源电路30为buck型dc-dc电路，用于在plc设备上电是接入24v的输入电压vdd1，并将其降压为5.2v的vdd2后作为供电电压输出。在plc设备正常上电时，供电控制电路20可接入电源电路30输出的供电电压，并输出至负载40，以为负载40的正常工作提供电能。在上述过程中，如供电控制电路20突然未接收到电源电路30输出的供电电压，即可确定电源电路30掉电，此时供电控制电路20可接入储能电路10放电输出的放电电压，并将供电电压输出至后端负载40，以实现为负载40提供一较短时间的备用电能，以使负载40可利用备用电能对自身工况进行保存，以待重新上电时调用。可以理解的是，负载40可为plc设备中的主控制器等具有掉电保存功能的功能组件或者功能电路，其中，主控制器可为mcu、dsp、fpag等微处理器或者cpu主控芯片中的一种或多种组合。
[0042]
本实用新型技术方案通过采用储能电路10和供电控制电路20组件构建掉电保存电路，并使供电控制电路20在检测到电源电路30掉电时，接入储能电路10放电输出的放电电压，并输出至负载40的电源端，以为负载40提供电能。本实用新型技术方案通过采用超级电容cs等功率密度高较高的储能器件来构建组成储能电路10，以代替电解电容，以在相同电容量相同的前提下，可占用更小的电路板面积，从而解决了电解电容占用pcb板面积较大的问题，有利于优化pcb板上的器件布局，且功率密度高较高的储能器件相较于相同电容量的电解电容成本更低，因而还可降低plc设备的整体成本。
[0043]
参照图1至图6，在一实施例中，所述储能电路10包括超级电容cs和第一电阻r1，所述超级电容cs和第一电阻r1并联组成一储能单元；
[0044]
所述储能单元的数量为一个，或者，所述储能单元的数量为多个，多所述储能单元串联连接。
[0045]
本实施例中，每一超级电容cs可具有一正极和一负极，第一电阻r1可具有两端；超级电容cs的正极和负极可与第一电阻r1的两端一一对应连接以并联形成一基本储能单元。在图2所示实施例中，超级电容cs的数量为两个，分别为第一超级电容cs1和第二超级电容cs2，第一超级电容cs1的正极和负极与第二超级电容cs2的正极和负极一一对应连接，以及可与第一电阻r1的两端一一对应连接，从而三者并联以实现一基本储能单元，且多个储能单元串联设置。需要说明的是，储能单元数量与提供备用电能的时间呈正比关系，因而储能单元的数量可根据实际需要来确定，在此不做赘述。当储能单元数量为一个时，第一超级电
容cs的负极或者第一电阻r1的一端可接地，超级电容cs的正极或者第一电阻r1的另一端可为储能电路10用于输出备用电能的输出端；当储能电路10为多个，即n个时，第一个储能单元中超级电容cs的负极或者第一电阻r1的一端可接地，第n个储能单元中超级电容cs的正极或者第一电阻r1的另一端可为储能电路10的输出端。
[0046]
进一步地，所述储能单元的数量为n个，第一个所述储能单元中超级电容cs的负极接地；
[0047]
所述储能电路10还包括第一二极管d1和第一过流保护器件f1，所述第一二极管d1的阳极与第n个所述储能单元中超级电容cs的正极连接，所述第一二极管d1的阴极为所述储能电路10的输出端，所述第一过流保护器件f1与所述第一二极管d1并联连接。
[0048]
由于超级电容cs的容量大，上电瞬间其类似短路，导致充电电流非常大，很容易导致前端输出充电电压的电路进入过流保护。针对此问题，参照图2，本技术设置有第一过流保护器件f1，第一过流保护器件f1可采用自恢复保险丝等ptc器件来实现，以利用其过流保护和小内阻的特性，当充电电流达到限值后维持一定的大小，从而达到限制充电电流的目的(即流向1)，相比于其它限流电路而言，可降低限流控制的器件数量和成本。当各储能电路10放电时，大部分放电电流经第一二极管d1输出(即流向2)，另小一部分电流经第一过流保护器件f1输出，因而还可对放电电流的流向和大小进行限制，有利于提高储能电路10的放电安全性。
[0049]
参照图1至图6，在一实施例中，所述供电控制电路20的第一输入端与所述供电控制电路20的第二输入端之间有设有连接通路。
[0050]
在plc设备上电后，供电控制电路20可将第一输入端接入的供电电压经连接通路输出至储能电路10，以为各超级电能充电。换而言之，此时储能电路10的输出端复用为输入端。如此设置，无需额外设置储能电路10的充电电路，有利于进一步降低本技术掉电保存电路在pcb板上的占用面积。
[0051]
进一步地，所述供电控制电路20包括：
[0052]
滞回电路21，所述滞回电路21的检测端连接于所述连接通路上，所述滞回电路21用于在检测到所述连接通路上的电压值不小于第一预设电压阈值v_on时，输出的第一开关控制信号；在检测到所述连接通路上的电压值小于第二预设电压阈值v_off时，输出第二开关控制信号；
[0053]
开关电路22，所述开关电路22的输入端连接于所述连接通路上，所述开关电路22的输出端为所述供电控制电路20的输出端，所述开关电路22的受控端与所述滞回控制电路的输出端连接，所述开关电路22用于在接收到第一开关控制信号时导通，以将所述连接通路与所述负载40的电源端连接；在接收到第二开关控制信号时关断，以将所述连接通路与所述负载40的电源端的连接断开。
[0054]
本实施例中，滞回电路21可实时对连接通路上的供电电压进行检测，以在检测到供电电压的电压值大于或等于第一预设电压阈值v_on时，才输出第一开关控制信号，以使开关电路22可将电压值大于或等于第一预设电压阈值v_on的供电电压输出至后端负载40。如此，使得储能电路10可利用plc上电前期的较小的供电电压充电，不仅节省了充电电路，还可避免较小的供电电压对后端负载40的影响，有利于提高负载40在设备上电时的稳定性和安全性。
[0055]
由于在掉电发生后，超级电容cs所提供的备用电能会随着供电时间而降低，且还会出现电压幅值反复震荡的情况。针对此问题，滞回电路21还可在检测到供电电压的电压值小于第二预设电压阈值v_off时，输出第二开关控制信号以控制开关电路22关断，可有效避免电压值过小的供电电压对后端负载40造成影响。需要注意的是，由于在将开关电路22关断后，即便后续供电电压由于负载40减轻而上升，开关电路22依然处于关断状态，因而还可解决电压幅值反复震荡对负载40的影响，有利于提高负载40在设备掉电时的稳定性和安全性。
[0056]
参照图1至图6，在一实施例中，所述滞回电路21包括：第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、稳压器件u、第一电容c1以及第一开关器件q1，所述第二电阻r2的第一端为所述滞回电路21的检测端，所述第二电阻r2的第一端分别与第四电阻r4的第一端以及第一开关器件q1的输入端连接，所述第二电阻r2的第二端经所述第三电阻r3接地，所述第一电容c1和所述第三电阻r3并联连接，所述第二电阻r2的第二端还与所述稳压器件u的受控端连接，所述第四电阻r4的第二端经所述第五电阻r5与所述稳压器件u的输入端连接，所述稳压器件u的输出端接地，所述第一开关器件q1的受控端与所述第四电阻r4的第二端连接，所述第一开关器件q1的输出端经所述第七电阻r7接地，所述第一开关器件q1的输出端为所述滞回电路21的输出端，所述第一开关器件q1的输出端还经第六电阻r6与所述稳压器件u的受控端连接。
[0057]
本实施例中，第一开关器件q1可采用pnp型三极管来实现；稳压器件u可采用三端基准源，例如tl431来实现。第一电容c1为储能滤波电容，第二电阻r2和第三电阻r3以构成分压电路，以将连接通路上的电压进行分压后输出至稳压器件u的受控端，以为稳压器件u提供参考电压；第四电阻r4为偏置电阻，以使得第一开关器件q1初始处于关断状态；第五电阻r5为限流电阻，以防止稳压器件u的输入电流过大；第六电阻r6为反馈电阻，以在设备上电时或者掉电时反馈电压给稳压器件u，并可用于设置不同的滞回电压值；第七电阻r7为下拉电阻，以使第一开关器件q1切换至关断状态时可迅速放电。
[0058]
在此以第一开关器件q1为pnp型三极管，稳压器件u为tl431，来对本技术滞回电路21的工作原理进行解释说明。当plc设备上电时，供电电压缓慢升高，稳压器件u的受控端电压也在分压的作用下同步升高，当稳压器件u的受控端电位小于其2.5v的触发电压时，稳压器件u处于关断状态，第一开关器件q1的受控端电压近似等于供电电压，但第一开关器件q1的vbe≈0v，第一开关器件q1同处于关断状态，此时滞回电路21输出低电平的第一开关控制信号；当稳压器件u的受控端电位等于其2.5v的触发电压时，稳压器件u导通，第一开关器件q1的受控端电压等于供电电压-0.7v，此时供电电压的电压值正好达到第一预设电压阈值v_on的门槛；当稳压器件u的受控端电位大于其2.5v的触发电压时，稳压器件u导通，第一开关器件q1的vbe≈0.7v，第一开关器件q1导通，此时滞回电路21输出高电平的第二开关控制信号。在电源电路30掉电时，由于超级电容cs放电供电电压随着时间而下降，当稳压器件u的受控端电位未下降至2.5v的触发电压以下时，稳压器件u和第一开关器件q1依然处于导通状态，滞回电路21此时输出高电平的第二开关控制信号；第二预设电压阈值v_off配置为小于第一预设电压阈值v_on，如此，当供电电压下降至第一预设电压阈值v_on与第二预设电压阈值v_off之间时，稳压器件u的受控端电位可在第一电容c1的作用下保持在2.5v及以上，以使稳压器件u保持导通以及滞回电路21输出高电平的第二开关控制信号；而当供电电
压下降至第二预设电压阈值v_off时，稳压器件u的受控端电位小于2.5v，稳压器件u关断，第一开关器件q1关断，滞回电路21切换输出低电平的第一开关控制信号。
[0059]
参照图4和图5，图4为plc设备上电时流经稳压器件u受控端(即
①
)的各电流流向示意图，图4中i1、i2、i3、i4分别为流经
①
的4种电流；图5为plc设备掉电时流经稳压器件u受控端的各电流流向示意图，图5中i5、i6、i7、i8分别为流经
①
的4种电流。
[0060]
可选地，所述开关电路22包括：第八电阻r8、第九电阻r9、第二电容c2、第三电容c3、第二开关器件q2和第三开关器件q3，所述第二开关器件q2的受控端为所述开关电路22的受控端连接，所述第二开关器件q2的输入端与所述第三开关器件q3的受控端连接，所述第二开关器件q2的输出端接地，所述第二开关器件q2的输出端还经第二电容c2与所述第二开关器件q2的受控端连接，所述第三开关器件q3的输入端为所述开关电路22的输入端连接，所述第三开关器件q3的输出端为所述开关电路22的输出端，所述第三开关器件q3的受控端还经所述第九电阻r9与所述第三开关器件q3的输入端连接，所述第三开关器件q3的受控端还经所述第八电阻r8和所述第三电容c3与所述第三开关器件q3的输入端连接。
[0061]
本实施例中，第二开关器件q2可采用npn型三极管来实现；第三开关器件q3可采用低电平导通类开关器件，例如：p型mos管或者pnp型三极管来实现。第三电容c3为储能滤波电容，第三电容c3为储能电容，第九电阻r9为上拉电阻。其中，第三电容c3可在电源电路30掉电时，放电维持开关电路22的输入端电位，以实现无缝切换至超级电容cs供电。
[0062]
在此以第二开关器件q2为npn型三极管，第三开关器件q3为p型mos管，来对本技术开关电路22的工作原理进行解释说明。当plc设备上电时，第二开关器件q2在接受到低电平的第一开关控制信号时，第二开关器件q2的vbe≈0v，第二开关器件q2关断，第三开关器件q3在第九电阻r9的上拉作用下关断，此时开关电路22不输出供电电压至负载40；当第二开关器件q2在接受到高电平的第二开关控制信号时，第二开关器件q2的vbe≈0.7v，第二开关器件q2导通，将第三开关器件q3的受控端电位下拉，以使第三开关器件q3导通，此时开关电路22输出所接入的供电电压至后端负载40。
[0063]
当然，本领域技术人员也可以在不付出创造性劳动的前提下，选择其它的开关器件，例如npn型三极管、n-mos管、可控硅、igbt或者继电器等，来作为第一开关器件q1、第二开关器件q2或第三开关器件q3，并相应调整本技术的方案以实现本技术的滞回电路21和开关电路22，在此不再赘述。
[0064]
本技术技术方案的各过程可如下表所示：
[0065][0066]
具体可参照图6：在[t0～t1]阶段中：当plc设备上电后，电源电路30工作，vdd2通过过流保护器件给超级电容cs限流充电，超级电容cs的电压值缓慢升高，直到vdd2达到第一预设电压阈值v_on，此阶段期间滞回电路21的输出电压v_en一直保持为低电平的第一开关控制信号。此外，本阶段内开关电路22处于关断状态，即不能给后级负载40供电，只给超级电容cs充电，故降低电源电路30中dc-dc的带载能力。
[0067]
在[t1～t2]阶段中：此时vdd2达到第一预设电压阈值v_on时，滞回电路21会的输出电压v_en为高电平的第二开关控制信号，且一直保持，故使开关电路22一直导通，vdd2的电流能流向后级负载40，以给后级负载40供电。在此阶段，电源电路30中的dc-dc不仅开始给后级负载40供电，同时还需要给超级电容cs继续充电，直至其电压接近无限上升到电源电路30的输出电压vdd2所对应的电压值，才停止充电。
[0068]
在[t2～t3]阶段中：电源电路30正常供电，通过dc-dc电路传递能量给后级负载40，不需要通过超级电容cs释放能量，且超级电容cs的能量一直保持满载状态。
[0069]
在[t3～t5]阶段中：电源电路30掉电后，vdd2电压开始慢慢下降，此时超级电容cs也开始在释放能量；当vdd2电压达到第一预设电压阈值v_on时，滞回电路21的输出电压v_en还是高电平的第二开关控制信号，但当vdd2电压下降至第二预设电压阈值v_off时，滞回电路21的输出电压v_en会突然由高电平的第二开关控制信号转变为低电平的第一开关控制信号，从而导致开关电路22关闭，以断开使后级负载40的供电。此时由于负载40突然变轻，且超级电容cs的存在，导致vdd2瞬间拉升，但是由于第一预设电压阈值v_on设置的比较高，超级电容cs的拉升电压不能达到第一预设电压阈值v_on，所以无法重新使v_en变为高电平的第二开关控制信号，故使开关电路22一直保持关闭状态，这样在整个掉电过程中vdd3的电压单调无震荡，从而避免对后级电路的影响。可以理解的是，本阶段即为在电源电路30掉电后通过超级电容cs储存的能量，所给后级负载40延长的供电时间。
[0070]
在[t5～t6]阶段中：后级负载40一直无法得到供电，储存能电路中超级电容cs通过并联的电阻，继续释放能量，直至电压降为0v。
[0071]
本实用新型还提出一种掉电保存装置，该掉电保存装置包括掉电保存电路，该掉
电保存电路的具体结构参照上述实施例，由于本掉电保存装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0072]
其中，掉电保存装置可包括一壳体和容置于壳体中的电路板，掉电保存电路可设于电路板上。
[0073]
本实用新型还提出一种plc设备，该掉电保存装置包括掉电保存电路，该掉电保存电路的具体结构参照上述实施例，由于本掉电保存装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。或者，plc设备包括如上述的掉电保存装置，在此同样不再一一赘述。
[0074]
plc设备中还可包括电源电路，电源电路可与掉电保存电路或者掉电保存装置电连接。
[0075]
以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。