一种超级电容充电控制电路及其控制方法与流程

1.本发明涉及断路器控制器技术领域，尤其涉及一种超级电容充电控制电路及其控制方法。


背景技术：

2.现在随着断路器配合智能电网的建设在原有通信协议modbus基础上，增加了dl/t645国内电表远传协议，实现了所有数据能与智能电网中的智慧终端通信。比如国家电网《125a及以上客户侧量测开关技术规范》关于测量及监测功能规定，断路器控制器可测量总及分相有功功率、无功功率、功率因数、分相电压、分相电流、频率等运行参数，并且具备冻结功能，冻结功能应至少包含瞬时冻结、分钟冻结、整点冻结、日冻结和月冻结，并且还要有事件记录功能，量测开关应至少支持掉电、分合闸、过流、过压、电流不平衡、欠压、电压不平衡、断相、清零事件记录功能。
3.由上可知，断路器断电后，需要将大量的数据存储到e2prom中，但在现有的技术中，增大断电后断路器内部电源的电能存储量，一般采用超级电容，其现有技术中，超级电容的正极和电源电路vcc(+5v)通过一个限流电阻连接，限流电阻用于限制充电电流的大小，限流电阻阻值越大充电电流越小，充电时间越长，上电时间(vcc(+5v)从0v上升到5v所用的时间)越短，反之，限流电阻阻值越小充电电流越大，充电时间越短，上电时间(vcc(+5v)从0v上升到5v所用的时间)越长，随着智能电网对断路器的新需求，越来越多的数据需要在断路器市电断电后存储，故现有的限流电阻方案造成的比较长的上电时间已经无法满足新需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种上电时间短且断电存储数据时间长的超级电容充电控制电路及其控制方法。
5.为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明第一方面提供了一种超级电容充电控制电路，包括电源模块、电网电压采样模块、mcu、充电模块，所述电源模块包括三相四线电源端、二极管整流电路、开关电控制电路、高频变压器、光耦、稳压电路、通讯电路，所述三相四线电源端连接二极管整流电路，所述二极管整流电路连接开关电控制电路，所述开关电控制电路分别连接高频变压器的初级侧、光耦受光端，所述光耦发光端连接稳压电路，所述高频变压器的次级侧分别连接通讯电路、电网电压采样模块、稳压电路，所述电网电压采样模块连接mcu的power_status控制引脚，所述mcu的fl_control控制引脚与充电模块连接。
7.本发明进一步设置为电网电压采样模块包括第八二极管、第五电容、第五电阻、第八电阻、第二十一电阻，所述第八二极管的正极连接高频变压器的第二次级侧，所述第八二极管的负极分别连接第五电容的正极、第二十一电阻的一端、第五电阻的一端，所述第五电容的负极、第二十一电阻的另一端均接地，所述第五电阻的另一端分别连接第八电阻的一
端、mcu的power_status控制引脚，所述第八电阻的另一端接地。
8.本发明进一步设置为充电模块包括恒流电路，所述恒流电路的第一端连接mcu的fl_control控制引脚，所述恒流电路的第二端连接供电电压，所述恒流电路的第三端、第四端分别接地。
9.本发明进一步设置为恒流电路由两个三极管和一个电阻组成。
10.本发明进一步设置为mcu由型号为stm32f103vbt6的单片机芯片构成。
11.本发明第二方面提供了一种超级电容充电控制电路的控制方法，包括如下步骤：
12.s1：上电延时步骤，从断路器控制器上电瞬间开始计时，在等待时间δt中不开启超级电容充电控制电路；
13.s2：电网电压检测步骤，当检测到电网供电电压信号正常且满足等待时间δt计时，超级电容开始充电；
14.s3：超级电容充电步骤，当超级电容开始充电时，开启超级电容充电的控制信号，持续充电；
15.s4：持续检测步骤，当检测到电网电压信号停电时，停止超级电容充电。
16.本发明进一步设置为在所述s3步骤中，控制信号是高电平。
17.本发明进一步设置为在所述s3步骤中，控制信号是pwm信号。
18.本发明进一步设置为在所述s1步骤中，等待时间δt不小于0.5s。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过电网电压采样模块与电源模块的连接，相比起现有的超级电容充电控制电路，实现了断电存储数据时间长的优点，断电后电网电压采样模块能够在极短的时间内发出停电警告信息，电源模块在断电后能提供更长的供电电能，当其两者的时间差应大于或等于340ms以上，使其断电数据能可靠保存，其通过断路器控制器在开始上电的等待时间δt中不开启超级电容充电，实现上电时间短的优点，且通过s1步骤的等待时间δt，使其将超级电容充电对电源vcc的影响降低到最小。
附图说明
20.图1是本发明实施例的电源模块与电网电压采样模块的电路原理图。
21.图2是本发明实施例的mcu电路原理图。
22.图3是本发明实施例的充电模块电路原理图。
23.图4是本发明实施例的超级电容充电控制时序图。
具体实施方式
24.如图1-图3所示，本发明的实施例提供了一种超级电容充电控制电路，包括电源模块、电网电压采样模块、mcu、充电模块。
25.电源模块由三相四线电源端、二极管整流电路、开关电控制电路、高频变压器t1、光耦u3、稳压电路、通讯电路组成，具体的，三相四线电源端连接二极管整流电路，二极管整流电路连接开关电控制电路，开关电控制电路分别连接高频变压器的初级侧第一端和初级侧第二端、光耦受光端的集电极和发射极，光耦发光端的正极和负极连接稳压电路，高频变压器的初级侧第一端连接通讯电路，高频变压器的次级侧第二端分别连接稳压电路和电网电压采样模块，电网电压采样模块连接mcu的power_status控制引脚，具体的，三相四线电
源端主要由第六电阻r6、第九电阻r9、第十电阻r10、第十二电阻r12组成，二极管整流电路由第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第十二极管d10、第十一二极管d11、第十二二极管d12、第十三二极管d13串并联组成，开关电控制电路由第四电容c4、第六电容c6、第二电阻r2、第三电阻r3、第七电阻r7、第十一电阻r11、第八电容c8、第一电阻r1、第二电容c2、第六二极管d2、第七二极管d7、第四电阻r4、第八电容c8、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十二电容c12、开关电控制芯片u1组成，稳压电路由第九二极管d9、第十三电阻r13、第十七电阻r17、可控精密稳压源u4、第十三电容c13、第十六电阻r16、第十八电阻r18、第十电容c10、第十一电容c11、第七电容c7、第九电容c9、三端稳压器u2组成，通讯电路由第一二极管d1、第一电容c1、第三电容c3组成，具体的，第六电阻r6的一端连接三相四线电源端的a相，第九电阻r9的一端连接三相四线电源端的b相，第十电阻r10的一端连接三相四线电源端的c相，第十二电阻r12的一端连接三相四线电源端的n相，第六电阻r6的另一端分别连接二极管整流电路中第二二级管d2的正极、第十二级管d10的负极，第九电阻r9的另一端分别连接二极管整流电路中第三二极管d3的正极、第十一二极管d11的负极，第十电阻r10的另一端分别连接二极管整流电路中第四二极管d4的正极、第十二二极管d12的负极，第十二电阻r12的另一端分别连接二极管整流电路中第五二极管d5的正极、第十三二极管d13的负极，高频变压器t1的初级侧第一端的第一引脚端分别连接开关电控制电路中第二电容c2的一端、第一电阻r1的一端、第二电阻r2的一端、第四电容c4的正极、第五二极管d5的负极、第四二极管d4的负极、第三二极管d3的负极、第二二极管的d2的负极，第五二极管d5的负极还连接有高压电流，高频变压器t1的初级侧第一端的第二引脚端分别连接开关电控制电路中开关电控制芯片u1的第七引脚和第八引脚端、第六二极管d6的正极，第六二极管d6的负极分别连接第二电容c2的另一端、第一电阻r1的另一端，第二电阻r2的另一端连接第三电阻r3的一端，第三电阻r3的另一端分别连接第四电容c4的负极、第六电容c6的正极、第七电阻r7的一端，第七电阻r7的另一端连接第十一电阻r11的一端，高频变压器t1的初级侧第二端的第四引脚端连接开关电控制电路中第四电阻r4的一端，第四电阻r4的另一端连接第七二极管d7的正极，开关电控制芯片u1的第三引脚端分别连接第七二极管d7的负极、第八电容的正极，开关电控制芯片u1的第一引脚端分别连接第十五电阻r15的一端、第十四电阻r14的一端，高频变压器t1的初级侧第二端的第五引脚端连接保护地，光耦u3受光端的集电极分别连接开关电控制电路中开关电控制芯片u1的第四引脚端、第十二电容c12的一端，光耦u3的受光端的发射极分别连接开关电控制电路中第十二电容c12的另一端、第十五电阻r15的另一端、第十四电阻r14的另一端、第八电容c8的负极、开关电控制芯片u1的第二引脚端、第十一电阻r11的另一端、第六电容c6的负极、第十三二极管d13的正极、第十二二极管d12的正极、第十一二极管d11的正极、第十二极管d10的正极，第十三二极管d13的正极还连接保护地，光耦u3发光端的正极分别连接稳压电路中第十三电阻r13的一端、第十七电阻r17的一端，光耦u3发光端的负极分别连接稳压电路中第十七电阻17的另一端、第十三电容c13的一端、可控精密稳压源u4的阴极，可控精密稳压源u4的参考端分别连接第十三电容c13的另一端、第十六电阻r16的一端、第十八电阻r18的一端，可控精密稳压源u4的阳极、第十八电阻r18的另一端均接地，三端稳压器u2的第一引脚端分别连接第十一电容c11的一端、第十电容c10的正极、第十六电阻r16的另一端、第十三电阻r13的另一端、第九二极管d9的负极，三端稳压器u2的第二引脚端、第十电容c10的负极、第十一电容c11的
另一端、第七电容c7的负极、第九电容c9的一端均接地，三端稳压器u2的第三引脚端分别连接第七电容c7的正极、第九电容c9的另一端，第十电容c10的正极还连接有电源12v，第九电容c9的另一端还连接有供电电压，高频变压器t1的次级侧第一端的第十引脚端连接通讯电路中第一二极管d1的正极，第一二级管d1的负极分别连接第一电容c1的正极、第三电容c3的一端，高频变压器t1的次级侧第一端的第九引脚端、第一电容c1的负极、第三电容c3的另一端均接隔离地，第一二极管d1的负极还输出有信号至485通讯芯片，高频变压器t1的次级侧第二端的第七引脚端分别连接有稳压电路中第九二极管d9的正极、电网电压采样模块，高频变压器t1的次级侧第二端的第六引脚端接地，mcu由型号为stm32f103vbt6的单片机芯片u5构成。
26.电网电压采样模块由第八二极管d8、第五电容c5、第五电阻r5、第八电阻r8、第二十一电阻rx1组成，具体的，第八二极管d8的正极连接高频变压器t1的次级侧第二端的第七引脚端，第八二极管d8的负极分别连接第五电容c5的正极、第二十一电阻rx1的一端、第五电阻r5的一端，第五电容c5的负极、第二十一电阻rx1的另一端均接地，第五电阻r5的另一端分别连接第八电阻r8的一端、mcu的power_status控制引脚，第八电阻r8的另一端接地。
27.充电模块由恒流电路、第十九电阻r19、第十四电容c14、第十四二极管d14组成，具体的，恒流电路由第一三极管q1、第二三极管q2、第二十电阻r20组成，第十九电阻r19的一端连接mcu的fl_control控制引脚，第十九电阻r19的另一端分别连接第一三极管q1的基极、第二三极管q2的集电极，第一三极管q1的发射极分别连接第二三极管q2的基极、第二十电阻r20的一端，第二三极管q2的发射极接地，第二十电阻r20的另一端、第十四二极管d14的正极均接地，第一三极管q1的集电极分别连接第十四二极管d14的负极、第十四电容c14的负极，第十四电容c14的正极连接供电电压。
28.如图4所示，本发明实施例提供了一种超级电容充电控制电路的控制方法，包括如下步骤：
29.s1：上电延时步骤，从断路器控制器上电瞬间开始计时，在等待时间δt中不开启超级电容充电控制电路，等待时间δt不小于0.5s；
30.s2：电网电压检测步骤，当检测到电网供电电压信号正常且满足等待时间δt计时，超级电容开始充电；
31.s3：超级电容充电步骤，当超级电容开始充电时，开启超级电容充电的控制信号，持续充电，控制信号是高电平，控制信号是pwm信号；
32.s4：持续检测步骤，当检测到电网电压信号停电时，停止超级电容充电。
33.当然除了上述实施例外，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明实质技术方案内容的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，且这些改变或变形和本专利中的技术方案是等同的，则这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围，且该发明创造符合申请人、发明人实际研发能力及资源条件。

技术特征：
1.一种超级电容充电控制电路，其特征在于：包括电源模块、电网电压采样模块、mcu、充电模块，所述电源模块包括三相四线电源端、二极管整流电路、开关电控制电路、高频变压器、光耦、稳压电路、通讯电路，所述三相四线电源端连接二极管整流电路，所述二极管整流电路连接开关电控制电路，所述开关电控制电路分别连接高频变压器的初级侧、光耦受光端，所述光耦发光端连接稳压电路，所述高频变压器的次级侧分别连接通讯电路、电网电压采样模块、稳压电路，所述电网电压采样模块连接mcu的power_status控制引脚，所述mcu的fl_control控制引脚与充电模块连接。2.根据权利要求1所述的超级电容充电控制电路，其特征在于：所述电网电压采样模块包括第八二极管、第五电容、第五电阻、第八电阻、第二十一电阻，所述第八二极管的正极连接高频变压器的次级侧第二端，所述第八二极管的负极分别连接第五电容的正极、第二十一电阻的一端、第五电阻的一端，所述第五电容的负极、第二十一电阻的另一端均接地，所述第五电阻的另一端分别连接第八电阻的一端、mcu的power_status控制引脚，所述第八电阻的另一端接地。3.根据权利要求1所述的超级电容充电控制电路，其特征在于：所述充电模块包括恒流电路，所述恒流电路的第一端连接mcu的fl_control控制引脚，所述恒流电路的第二端连接供电电压，所述恒流电路的第三端、第四端分别接地。4.根据权利要求3所述的超级电容充电控制电路，其特征在于：所述恒流电路由两个三极管和一个电阻组成。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的超级电容充电控制电路，其特征在于：所述mcu由型号为stm32f103vbt6的单片机芯片构成。6.一种超级电容充电控制电路的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：s1：上电延时步骤，从断路器控制器上电瞬间开始计时，在等待时间δt中不开启超级电容充电控制电路；s2：电网电压检测步骤，当检测到电网供电电压信号正常且满足等待时间δt计时，超级电容开始充电；s3：超级电容充电步骤，当超级电容开始充电时，开启超级电容充电的控制信号，持续充电；s4：持续检测步骤，当检测到电网电压信号停电时，停止超级电容充电。7.根据权利要求6所述的超级电容充电控制电路的控制方法，其特征在于：在所述s3步骤中，控制信号是高电平。8.根据权利要求6所述的超级电容充电控制电路的控制方法，其特征在于：在所述s3步骤中，控制信号是pwm信号。9.根据权利要求6所述的超级电容充电控制电路的控制方法，其特征在于：在所述s1步骤中，等待时间δt不小于0.5s。

技术总结
本发明涉及一种超级电容充电控制电路及其控制方法，包括电源模块、电网电压采样模块、MCU、充电模块。本发明通过电网电压采样模块与电源模块的连接，相比起现有的超级电容充电控制电路，实现了断电存储数据时间长的优点，其通过断路器控制器在开始上电的等待时间Δt中不开启超级电容充电，实现上电时间短的优点，且通过S1步骤的等待时间Δt，使其将超级电容充电对电源VCC的影响降低到最小。充电对电源VCC的影响降低到最小。充电对电源VCC的影响降低到最小。


技术研发人员：金锡碧 张绪 于雪峰 牟梦丹 赵策
受保护的技术使用者：浙江航都科技有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/14