一种掉电后备电源的设计方案
导读：文介绍了一种掉电后备电源的设计，采用 超级电容作为储能元件可
长期浮充，大电流放电，提高了使用寿命；采用升压型拓扑，优化了超级电容
容量配置，可在
5V@5A 条件下可在 5V@5A 条件下，持续工作 10s,并在电容因
欠压停止工作时，可迅速关断输出，输出电压单调下降，不产生振荡，电性指
标满足绝大。
1 引言
测量仪器、数据采集系统、伺服系统以及机器人等重要单元或关键部件需在
非正常掉电时进行状态记录和必要的系统配置，使用电池往往由于长期浮充致
使寿命减少，且需定期更换。超级电容器（
Super Capacitor）兼有常规电容器功
率密度大、充电电池比能量高的优点，可进行高效率快速充放电，且可长期浮充
在大电流充放电、充放电次数，寿命等方面优于电池，正在发展成为一种新型、
高效、实用的能量储存装置，是介于充电电池和电容器之间的一种新型能源器件
本文采用超级电容器设计了高效、大电流
Boost 掉电后备电源。
2 超级电容容量和拓扑的选取
该电源实现短时掉电保护，其配置需要优化，即采用尽量小的电容容量获
得尽量长的使用时间。采用
Buck 结构，效率会有所提高，但会有较大的电容电
荷不能利用；采用升降压结构的
Buck-Boost 产生的反压直接利用会有困难；采
用高频变压器隔离的拓扑，在经济性、效率、功率密度等方面均有一定限制；综
上，本文采用了可使电容容量较为合理非隔离升压拓扑，主要技术指标如下：
超级电容电压可用范围
3V-5V,最大输入电流 18A~20A,输出电压+5V@5A,保持
时间
10 秒。由于掉电保护时间较短，功率元件降额使用不必太苛刻。
超级电容作为储能元件，在正常情况下，该设计由
5V 电源供电，并同时
给超级电容进行充电。当外接电源掉电后，系统的所有供电需求均由超级电容完
成。在此设计中超级电容部分是由两个耐压值为
2.7V,容值为 220F 的电容串联组
成，为了达到较好的均压效果，使用了两个
压。
3 后备电源主功率设计
3.1 主功率拓扑的设计
主功率电路的拓扑结构采用的是
Boost 升压电路，电路如图 1 所示，主要
包括超级电容，
boost 拓扑以及 LC 滤波三个部分。
Boost 功率拓扑中，电感和 MOSFET 承受的电流较大，最大可到 20A,必须
考虑
MOSFET 的耐流和必要的散热措施。电感值选取应合适（本文选用
2.2uH），由于在输入电压较低的情况下，需要得到必要的增益，MOSFET 和
电感的内阻会影响电压增益，即存在最大占空比，当占空比超过该值时，电压
增益反而下降，效率变低，易因电感电流过大，引起电感饱和，从而烧毁
MOSFET 或电感。MOSFET 需要导通阻抗较小，电感的直流阻抗也需要很小。
LC 滤波部分主要包括电感与电容，可经过试验选择滤波级数。本设计选用
0.9uH 的电感作为滤波电感，滤波电容由 2200uF 和 0.1uF 的并联。