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基于法拉電容的智能儀器儀表掉電保護方案。

內容簡介:基于法拉電容的智能儀器儀表掉電保護方案:離線式拓撲結構中供電切換產生的電壓嚴重跌落在實際應用中會造成系統重啟。為了消除隱患,并降低硬件設計成本,本方案硬件結構采用中的法拉電容在線式拓撲結構。

      龍濁研究與設計基于法拉電容的智能儀器儀表掉電保護方案林茂疆,鄢萍,易潤忠,劉飛(重慶大學制造工程研究所,重慶400030)護方案。采用法拉電容作為后備電源在系統失電時為系統供電,并針對法拉電容快速充放電的特性,設計了相應的外圍電路,并采用BOOST電路提高電容能效;軟件完成觸發信號檢測、保存數據、關閉系統配合硬件有效的實現智能儀器儀表的掉電保護。通過。

法拉電容——西安博匯儀器儀表有限公司
法拉電容

      中法拉電容被充電到額定值后,由控制電路切斷與主供電通道,作為后備電源不參與系統的正常工作狀態下的供電。當系統掉電后或處于欠壓狀態時,供電切換開關動作,由法拉電容通過效能提高電路如BOOSTDC-DC電路對系統進行供電并完成相應的保護操作。該方案法拉電容充電完成后被關閉,只有系統掉電時才工作,使用壽命長;法拉電容能充電至額定值,存儲電能量大。但是供電切換會有明顯的電壓跌落,可能會造成系統斷電,無法實現主供電電路與后備供電之間的無縫銜接,特別是在大負載情況下,現象更為明顯。
      為在線式拓撲結構的方案圖。在該方案中法拉電容被充電到額定值后并不被關閉,主供電與法拉電容一起通過BOOSTDC-DC電路對系統進行供電。當系統掉電后法拉電容立即對系統供電,同時掉電檢測觸發電路發出掉電信號,CPU進行數據的緊急處理。該方案供電切換不存在電壓跌落現象,當電路有瞬態的電壓波動時法拉電容還具有吸收濾波的功能,省去了供電切換開關電路,系統更為簡單,效率更高。
      但也存在電容無法充電至額定值,電能利用率稍低和長時間在線工作,使用壽命降低的缺點。
      綜合比較上述兩個方案,離線式拓撲結構中供電切換產生的電壓嚴重跌落在實際應用中會造成系統重啟。為了消除隱患,并降低硬件設計成本,本方案硬件結構采用中的法拉電容在線式拓撲結構。
      1.2充放電控制電路設計法拉電容一般采用雙電層技術,具有較低的內阻,通電時,會產生較大的沖擊電流,可能會損壞主DC-DC變換器。設計中既要保證超級電容充放有效的電量,即充放電深度,又考慮到充放電時的控制方便和可操作性,通常采用恒流轉恒壓充電,恒流放電的方式,充放電過程中電流的大小可根據需要和時間的長短來確定,恒壓充電的時間可根據電容工作的有效電量來確定。
      針對以上的一些特點,法拉電容充放電控制電路設計如。
      1.2.1充電限流電路實際應用中,智能儀器儀表開機運行需要立即對法拉電容快速充電。但由于法拉電容內阻較小,通電瞬間會有較大的沖擊電流。以Powerstor公司生產的PM5R0V305-R型號法拉電容為例,該電容耐壓為5V,內阻為50mW,理想條件下通電時會產生100A電流。即使考慮實際電路中的各種阻抗沖擊,電流也可達幾十安。一般的通用單片BUCK型DC-DC變換器都無法承受那么大的負載電流,變換器無法建立正常工作的電流環路。因此采用中R2、Q1、Q、R1組成的電路進行限流。法拉電容在穩定的5V下充電,電阻艮起主要限流作用。啟動瞬間的電流最大,電阻R2減少啟動電流,此時由于Q、R1構成的延遲電路Q1不導通。待電流減小后Q1打開,電流主要通過Qi對法拉電容充電,減少電阻上的額外損耗。調節參數可以調整Q:的延遲開啟時間。上述限流電路大大減少了法拉電容的輸入電流,減輕了通電后DC-DC變換器的負載,同時也滿足了通電后快速充電要求。法拉電容在R2限流作用下快速充電到5-Vdm(%為肖特基二極管導通壓降)。
      1.2.2恒流放電電路當法拉電容進行放電初始時,如果放電電流過大,極板內的電荷因阻力及化學反應速度等原因來不及補充,導致端電極電荷虧空,電壓會瞬態跌落。所以進行放電的恒流控制是很有必要的。如所示采用TL431搭建恒流電路。TL431是三端可編程并聯穩壓二極管,通過三極管擴流可提供可靠的恒流源。圖中Q2是一個PNP型調整管,減少壓降損失。由TL431根據R4的壓降控制輸出的電流。R3為Q2導通提供必要的電壓。恒流大小可由下式計算:通過對R4調整可以獲得不同的恒定電流輸出。
      1.2.3法拉電容選擇根據“電路保持工作所需能量=法拉電容減少能量”的原則,可知:量;U為電路正常工作時法拉電容電壓;認為電路能工作的最低電壓;I為電路正常工作需要電流。系統能正常工作的條―般的電路正常工作電壓為5V,除去二極管Di,R2的壓波場枝表g究與設計降,法拉電容電壓大約可充4.7V,同時放電時考慮到D2、4、Q2的壓降,可輸出的電壓為4V左右,即認=4V.當系統電壓小于2.1V時會觸發復位電路,同時一般的BOOST電路在2.1V低壓下也無法正常工作了,法拉電容電能無法繼續供給電路使用,所以認=2.1V.系統掉電后操作系統需要時間對重要數據進行保存及其相應操作,取t=30s.系統由法拉電容供電時的負載電流為100mA左右,1=100mA,將上述參數帶入(4)式得C=1.03F.考慮電路的轉換效率和冗余設計的要求,選用1.5F、。0V額定電壓的法拉電容完全可以滿足系統掉電后能量的供給。
      1.3法拉電容效能提高電路電容自然放電的過程是電壓沿指數規律下降的過程,變化的輸出電壓對于后續的負載電壓變換器不是理想的輸入,同時很多系統的3.3V電壓輸出的BUCKDC-DC變換器的最低輸入電壓都為3.8V左右。當法拉電容放電到3.8V以下,電能將無法再被利用,所以有必要使用BOOST電路將法拉電容輸出電能穩定在5V,充分利用法拉電容存儲的電能為意外掉電后的系統提高盡可能長的緊急處理時間。
      采用低輸入電壓BOOST變換器,要求能在2.1V輸入電壓的情況下正常輸出5V電壓。
      通過該BOOST電路,在法拉電容輸出電壓從4V下降到2.1V的過程中,負載電路都有穩定的5V輸入,保證了進行掉電保護動作時負載電壓的可靠性。調整RW、RU的取值可以調整電路輸出電壓,同時Q2具有擴大電流作用,防止過大的負載電流損壞器件。為法拉電容效能提高電路。
      掉電檢測觸發電路在系統掉電時輸出信號給主處理器,此時正在運行的操作系統將啟動掉電保護進程。一般的智能儀器儀表主系統采用5V供電,工業直流電為24V,所以要采用5V直流電壓轉換電路。當輸入電壓低于5V輸出BUCK型DC-DC的最低輸入電壓時,檢測信號應該跳變,CPU進行緊急處理,如。
      采用Q5、Q7兩個NPN型三極管和7.5V穩壓管搭建觸發電路,簡單可靠。當電壓正常輸入時,穩壓管擊穿,穩定在7.5V,Q5打開,Q7關閉,觸發信號為高電平。當輸入電壓低于7.5V時,Q5關閉,Q7打開,觸發信號變為低電平,觸發CPU動作。
      2系統軟件設計在嵌入式操作系統中,根據智能儀器儀表的應用中各個傳感器的數據采集和各個任務實時監控處理的應用要求,對平時運行的諸如信號采集、信號處理、信號顯示等任務進行靜態優先級的調度,各個任務間根據一定的要求確定靜態的優先級。但由于掉電保護進程的關鍵性,需分配給最高優先級。
  在系統正常運行時不創建掉電保護進程,減少內存占用資源,簡化任務管理、調度。當掉電觸發信號到來,系統立即創建掉電保護進程,進入就緒態,同時賦予最高的優先級,搶占CPU控制權,進而達到最強的實時性。當系統創建掉電保護進程后,將進行所示的操作。
      進程等待5s后,再次檢查中斷I/O是否保持為低電平,若高則說明整機供電恢復,系統恢復為原來的遠行狀態,排除了瞬態的欠壓千擾。低電平時系統真正掉電,此時系統需要查找數據在內存中存儲的起始地址,并按一定規則確定偏移地址大小,之后將指定的內存地址中的數據寫回到NANDFLSAH等存儲設備,實現關鍵數據的保存。為了保證用戶程t研究與設計龍效象序不被破壞,系統需要關閉用戶程序之后發出關機信號進行可靠的關機。
      在設計中,為了保證系統掉電保護的實時性,應該將掉電中斷信號設置為最高優先級,系統中該優先級不可被剝奪。
      3應用實例為了驗證該方案的實際效果,本方案在一款多路數據采集器中進行了實驗,見0.從測量為每格1s可以看出,法拉電容在通電后的1s內充電到穩定的4.8V左右。顯示了法拉電容在穩定工作時,紋波電壓較平穩。對比和0可以看出,當系統掉電時,法拉電容進行供電,輸出電壓緩慢降低,同時BOOSTDC-DC供出5V電壓波形穩定,圖中測量顯示為每格10s,共持續30s. 4結論針對智能儀器儀表使用時因電網供電波動造成系統關鍵數據丟失、重要控制失控等問題,基于法拉電容大的比功率、高效率快速充放電、充電壽命長、控制電路簡單的特點,并結合嵌入式操作系統的實時性的要求,提出一種簡單易行的掉電保護方案。本方案采用法拉電容作為后備電源,能在5V充電電壓下1s內快速充滿電,系統掉電期間100mA恒流供電,持續放電30s,并能與通用的3A輸出單片BUCKIC進行板級集成,已在款智能儀器儀表中得到應用,取得了預期效果。

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