基于法拉电容的智能仪器仪表掉电保护方案

龙浊i研究与设计基于法拉电容的智能仪器仪表掉电保护方案林茂疆，鄢萍，易润忠，刘飞（重庆大学制造工程研究所，重庆400030）护方案。采用法拉电容作为后备电源在系统失电时为系统供电，并针对法拉电容快速充放电的特性，设计了相应的外围电路，并采用BOOST电路提高电容能效；软件完成触发信号检测、保存数据、关闭系统配合硬件有效的实现智能仪器仪表的掉电保护。通过。

中法拉电容被充电到额定值后，由控制电路切断与主供电通道，作为后备电源不参与系统的正常工作状态下的供电。当系统掉电后或处于欠压状态时，供电切换开关动作，由法拉电容通过效能提高电路如BOOSTDC-DC电路对系统进行供电并完成相应的保护操作。该方案法拉电容充电完成后被关闭，只有系统掉电时才工作，使用寿命长；法拉电容能充电至额定值，存储电能量大。但是供电切换会有明显的电压跌落，可能会造成系统断电，无法实现主供电电路与后备供电之间的无缝衔接，特别是在大负载情况下，现象更为明显。

为在线式拓扑结构的方案图。在该方案中法拉电容被充电到额定值后并不被关闭，主供电与法拉电容一起通过BOOSTDC-DC电路对系统进行供电。当系统掉电后法拉电容立即对系统供电，同时掉电检测触发电路发出掉电信号，CPU进行数据的紧急处理。该方案供电切换不存在电压跌落现象，当电路有瞬态的电压波动时法拉电容还具有吸收滤波的功能，省去了供电切换开关电路，系统更为简单，效率更高。

但也存在电容无法充电至额定值，电能利用率稍低和长时间在线工作，使用寿命降低的缺点。

综合比较上述两个方案，离线式拓扑结构中供电切换产生的电压严重跌落在实际应用中会造成系统重启。为了消除隐患，并降低硬件设计成本，本方案硬件结构采用中的法拉电容在线式拓扑结构。

1.2充放电控制电路设计法拉电容一般采用双电层技术，具有较低的内阻，通电时，会产生较大的冲击电流，可能会损坏主DC-DC变换器。设计中既要保证超级电容充放有效的电量，即充放电深度，又考虑到充放电时的控制方便和可操作性，通常采用恒流转恒压充电，恒流放电的方式，充放电过程中电流的大小可根据需要和时间的长短来确定，恒压充电的时间可根据电容工作的有效电量来确定。

针对以上的一些特点，法拉电容充放电控制电路设计如。

1.2.1充电限流电路实际应用中，智能仪器仪表开机运行需要立即对法拉电容快速充电。但由于法拉电容内阻较小，通电瞬间会有较大的冲击电流。以Powerstor公司生产的PM5R0V305-R型号法拉电容为例，该电容耐压为5V，内阻为50mW，理想条件下通电时会产生100A电流。即使考虑实际电路中的各种阻抗冲击，电流也可达几十安。一般的通用单片BUCK型DC-DC变换器都无法承受那么大的负载电流，变换器无法建立正常工作的电流环路。因此采用中R2、Q1、Q、R1组成的电路进行限流。法拉电容在稳定的5V下充电，电阻艮起主要限流作用。启动瞬间的电流*大，电阻R2减少启动电流，此时由于Q、R1构成的延迟电路Q1不导通。待电流减小后Q1打开，电流主要通过Qi对法拉电容充电，减少电阻上的额外损耗。调节参数可以调整Q：的延迟开启时间。上述限流电路大大减少了法拉电容的输入电流，减轻了通电后DC-DC变换器的负载，同时也满足了通电后快速充电要求。法拉电容在R2限流作用下快速充电到5-Vdm（%为肖特基二极管导通压降）。

1.2.2恒流放电电路当法拉电容进行放电初始时，如果放电电流过大，极板内的电荷因阻力及化学反应速度等原因来不及补充，导致端电极电荷亏空，电压会瞬态跌落。所以进行放电的恒流控制是很有必要的。如所示采用TL431搭建恒流电路。TL431是三端可编程并联稳压二极管，通过三极管扩流可提供可靠的恒流源。图中Q2是一个PNP型调整管，减少压降损失。由TL431根据R4的压降控制输出的电流。R3为Q2导通提供必要的电压。恒流大小可由下式计算：通过对R4调整可以获得不同的恒定电流输出。

1.2.3法拉电容选择根据“电路保持工作所需能量=法拉电容减少能量”的原则，可知：量；U为电路正常工作时法拉电容电压；认为电路能工作的*低电压；I为电路正常工作需要电流。系统能正常工作的条―般的电路正常工作电压为5V，除去二极管Di，R2的压波场枝表g究与设计降，法拉电容电压大约可充4.7V，同时放电时考虑到D2、4、Q2的压降，可输出的电压为4V左右，即认=4V.当系统电压小于2.1V时会触发复位电路，同时一般的BOOST电路在2.1V低压下也无法正常工作了，法拉电容电能无法继续供给电路使用，所以认=2.1V.系统掉电后操作系统需要时间对重要数据进行保存及其相应操作，取t=30s.系统由法拉电容供电时的负载电流为100mA左右，1=100mA，将上述参数带入（4）式得C=1.03F.考虑电路的转换效率和冗余设计的要求，选用1.5F、。0V额定电压的法拉电容完全可以满足系统掉电后能量的供给。

1.3法拉电容效能提高电路电容自然放电的过程是电压沿指数规律下降的过程，变化的输出电压对于后续的负载电压变换器不是理想的输入，同时很多系统的3.3V电压输出的BUCKDC-DC变换器的*低输入电压都为3.8V左右。当法拉电容放电到3.8V以下，电能将无法再被利用，所以有必要使用BOOST电路将法拉电容输出电能稳定在5V，充分利用法拉电容存储的电能为意外掉电后的系统提高尽可能长的紧急处理时间。

采用低输入电压BOOST变换器，要求能在2.1V输入电压的情况下正常输出5V电压。

通过该BOOST电路，在法拉电容输出电压从4V下降到2.1V的过程中，负载电路都有稳定的5V输入，保证了进行掉电保护动作时负载电压的可靠性。调整RW、RU的取值可以调整电路输出电压，同时Q2具有扩大电流作用，防止过大的负载电流损坏器件。为法拉电容效能提高电路。

掉电检测触发电路在系统掉电时输出信号给主处理器，此时正在运行的操作系统将启动掉电保护进程。一般的智能仪器仪表主系统采用5V供电，工业直流电为24V，所以要采用5V直流电压转换电路。当输入电压低于5V输出BUCK型DC-DC的*低输入电压时，检测信号应该跳变，CPU进行紧急处理，如。

采用Q5、Q7两个NPN型三极管和7.5V稳压管搭建触发电路，简单可靠。当电压正常输入时，稳压管击穿，稳定在7.5V，Q5打开，Q7关闭，触发信号为高电平。当输入电压低于7.5V时，Q5关闭，Q7打开，触发信号变为低电平，触发CPU动作。

2系统软件设计在嵌入式操作系统中，根据智能仪器仪表的应用中各个传感器的数据采集和各个任务实时监控处理的应用要求，对平时运行的诸如信号采集、信号处理、信号显示等任务进行静态优先级的调度，各个任务间根据一定的要求确定静态的优先级。但由于掉电保护进程的关键性，需分配给*高优先级。

在系统正常运行时不创建掉电保护进程，减少内存占用资源，简化任务管理、调度。当掉电触发信号到来，系统立即创建掉电保护进程，进入就绪态，同时赋予*高的优先级，抢占CPU控制权，进而达到*强的实时性。当系统创建掉电保护进程后，将进行所示的操作。

进程等待5s后，再次检查中断I/O是否保持为低电平，若高则说明整机供电恢复，系统恢复为原来的远行状态，排除了瞬态的欠压千扰。低电平时系统真正掉电，此时系统需要查找数据在内存中存储的起始地址，并按一定规则确定偏移地址大小，之后将指定的内存地址中的数据写回到NANDFLSAH等存储设备，实现关键数据的保存。为了保证用户程t研究与设计龙效象序不被破坏，系统需要关闭用户程序之后发出关机信号进行可靠的关机。

在设计中，为了保证系统掉电保护的实时性，应该将掉电中断信号设置为*高优先级，系统中该优先级不可被剥夺。

3应用实例为了验证该方案的实际效果，本方案在一款多路数据采集器中进行了实验，见0.从测量为每格1s可以看出，法拉电容在通电后的1s内充电到稳定的4.8V左右。显示了法拉电容在稳定工作时，纹波电压较平稳。对比和0可以看出，当系统掉电时，法拉电容进行供电，输出电压缓慢降低，同时BOOSTDC-DC供出5V电压波形稳定，图中测量显示为每格10s，共持续30s.4结论针对智能仪器仪表使用时因电网供电波动造成系统关键数据丢失、重要控制失控等问题，基于法拉电容大的比功率、高效率快速充放电、充电寿命长、控制电路简单的特点，并结合嵌入式操作系统的实时性的要求，提出一种简单易行的掉电保护方案。本方案采用法拉电容作为后备电源，能在5V充电电压下1s内快速充满电，系统掉电期间100mA恒流供电，持续放电30s，并能与通用的3A输出单片BUCKIC进行板级集成，已在款智能仪器仪表中得到应用，取得了预期效果。