一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的制作方法

1.本发明涉及一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路。


背景技术：

2.应急撤离灯系安装在飞机左、右操纵台后板上，自带可充电后备蓄电池，用于在机上完全断电的情况下，为机组人员提供紧急撤离时所需的照明。目前，现有的应急撤离灯大都是用镍镉电池作为后备蓄电池，蓄电池为有寿部件，其使用期限为充放电500次/2年，在使用中，最多间隔3～6个月应对电池进行充放电维护。当电池放电完毕，长时间未进行充电维护时，则电池无法充电，需对电池进行激活处理；应急撤离灯在实际使用中，由于无法判断电池充放电的间隔时间以及实际充放电次数，较多地出现电池放电完毕较长时间后，电池无法充电、电池到寿漏液等故障；且镍镉电池工作温度范围窄，只有-20℃～ 50℃，镍镉电池有记忆效应等缺点；主要是蓄电池的使用寿命较短，且维护不便，无法满足使用方的使用需求。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路，该电路能够有效地解决应急撤离灯电池维护不便、使用寿命较短、易出现无法充电和漏液、工作温度范围窄等问题。
4.为了实现这一目的，本发明的技术方案如下：一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路，包含有，防护电路单元、降压电路单元、充电电路单元、超级电容单元及升压电路单元，其中，所述防护电路单元用于接收来自飞机电源的输出电压且将所述输入电压防反、滤波、防浪涌处理后输出至所述降压电路单元，所述降压电路单元用于将来自所述防护电路单元的输出电压降压后输出至所述充电电路单元和充电指示电路单元，所述超级电容单元在开关控制下可给所述升压电路单元供电，所述升压电路单元用于将所述超级电容单元的输出电压转换成用于驱动所述光源电路所需的恒流电源。
5.利用所述超级电容单元作后备储能电源，突出优点如下：1) 超高电容量：比能量是传统电解电容器的（2000～6000）倍；2) 超强功率特性：大电流快速充放电，比功率是电池的（10～100）倍；3) 超长循环寿命长：5万次以上，是电池的（10～100）倍；4) 大电流充放电：秒极充电速度，大电流充/放电对寿命无影响；5) 工作温度范围宽：-40℃～70℃，低温效果好；6) 免维护：寿命超长且不需要保养，无过充/过放危险；7) 环保安全：无有害气体，无pb、cd、hg等重金属污染，性能稳定，常态下无自然、爆炸危险；8) 可焊性能好：和普通电解电容的引脚焊接一样，使安装简单化，无电池电极连接接触不良的缺点；
9) 串并联方便、可做到完全放电到0v，无镍镉电池的记忆效应。
6.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，还包含有，充电指示电路单元和光源电路单元，所述充电指示电路单元用于采样所述超级电容单元的上电压值，所述上电压值与预设的电压阈值进行比较以控制所述充电指示电路单元中充电工作指示灯的亮暗，所述光源电路单元，采用多只led并联设计成光源，发出所需的光。
7.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，所述防护电路单元包含有电容cx1～cx3、电感l1、l2、lg1、电阻rx1、rx2，防反二极管d1及瞬态抑制二极管d2、d3，电容cx1的第一端接电感l1的输入端，电容cx1的第二端接电感l2的输入端，电感l1的输出端分别接电容cx2的第一端及电感lg1的输入第一端，电感l2的输出端分别接电容cx2的第二端及电感lg1的输入第二端，电感lg1的输出第一端分别接电容cx3的第一端及防反二极管d1的正端，电感lg1的输出第二端分别接电容cx3的第二端及瞬态抑制二极管d2、d3的第二端，防反二极管d1的第二端分别接电阻rx1、rx2的第一端，电阻rx1的第二端分别接电阻rx2的第二端、瞬态抑制二极管d2、d3的第一端；其中，电容cx1的第一端系所述防护电路单元的输入正端，电容cx1的第二端系所述防护电路单元的输入负端，瞬态抑制二极管d2的第一端系所述防护电路单元的输出正端，瞬态抑制二极管d2的第二端系所述防护电路单元的输出负端。
8.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，所述降压电路单元包含有电源管理芯片u1、电阻r1～r5、电容c1～c6，所述防护电路单元的输出正端分别接电容c1、c2的第一端、电源管理芯片u1的vin端及电阻r1～r2的第一端，电源管理芯片u1的ron端接电阻r1的第二端，芯片u1的en端分别接电阻r2的第二端及电阻r3的第一端，电源管理芯片u1的gnd端和epad端接防护电路单元的输出负端，电源管理芯片u1的ss端接电容c3的第一端，电源管理芯片u1的fb端分别接电阻r4、r5的第一端及电容c4的第一端，电源管理芯片u1的vout端分别接电容c5、c6的第一端、电容c4的第二端及电阻r5的第二端，电容c1、c2、c3、c5、c6的第二端、电阻r3、r4的第二端均接地端；其中，电源管理芯片u1的vin端系所述降压电路单元的输入正端，电源管理芯片u1的vout端系所述降压电路单元的输出正端，电源管理芯片u1的gnd端和epad端系所述降压电路单元的输入输出公共负端；优选地，电源管理芯片u1系采用lmz14203h。
9.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，所述充电电路单元包含有超级电容充电芯片u1、电阻r1～r14、热敏电阻rt、采样电阻rs，电容c1～c12、电感l1、二极管d1～d2、发光二极管z1～z2、场效应管q1～q2；所述降压电路单元的输出正端分别接电阻r1、r9、r10的第一端及二极管d1的正端，电阻r1的第二端接电容c1的第一端，二极管d1的负端分别接电容c4、c5的第一端、电阻r11的第一端及场效应管q1的漏极端，芯片u1的vref端分别接芯片u1的ce端、电阻r2、r6的第一端及热敏电阻rt的第一端，电阻r2的第二端接电阻r3的第二端，热敏电阻rt的第二端接电阻r3、r4、r8的第一端，电阻r4的第二端接电阻r5的第一端，芯片u1的iset端分别接电阻r6的第二端及电阻r7的第一端，芯片u1的ts端分别接电阻r8的第二端及电容c3的第一端，芯片u1的stat端接发光二极管z1的负端，发光二极管z1的正端接电阻r9的第二端，芯片u1的pg端接发光二极管z2的负端，发光二极管z2的正端接电阻r10的第二端，芯片u1的vcc端接电阻r11的第二端、电容c6的第一端，芯片u1的regn端分别接二极管d2的正端及电容c13的第一端，芯片u1的btst端分别接二极管d2的
负端及电容c7的第一端，芯片u1的hidrv端接场效应管q1的栅极端，芯片u1的ph端分别接场效应管q1的源极端、场效应管q2的漏极端、电容c7的第二端及电感l1的第一端，芯片u1的lodrv端接场效应管q2的栅极端，芯片u1的srp端分别接电容c8、c9的第一端、电感l1的第二端及采样电阻rs的第一端，芯片u1的srn端分别接电容c9的第二端、采样电阻rs的第二端、电容c10、c11、c12的第一端、电阻r12的第一端、开关k1的第一端，电阻r12的第二端接电阻r13的第一端，芯片u1的vfb端分别接电阻r13的第二端、电容c12的第二端及电阻r14的第一端，电容c1、c2、c3、c4、c5、c6、c8、c9、c10、c11、c13的第二端、电阻r5、r7、r14的第二端、芯片u1的gnd端、pgnd端、场效应管q2的源极端均接地；其中，二极管d1的正极系所述充电电路单元的输入正端，采样电阻rs的第二端系所述充电电路单元给超级电容充电的输出正端，芯片u1的gnd端、pgnd端系所述充电电路单元的输入输出公共负端，输出负端连接超级电容的标记是c-，优选地，超级电容充电芯片u1系采用bq24640rva。
10.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，所述超级电容单元包含有超级电容c01、c02，其中，超级电容c01的第一端连接超级电容c02的第一端，超级电容c01的第二端连接超级电容c02的第二端；其中，超级电容c01、c02的第一端系所述超级电容单元的输入正端，超级电容c01、c02的第二端系超级电容单元的输入负端，所述充电电路单元上开关k1的第二端系超级电容单元的输出正端、充电电路单元上地端系超级电容单元的输出负端；优选地，超级电容c01、c02系采用csd01sc2r7127pc17yf。
11.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，所述充电指示电路单元包含有电阻r1～r7、二极管d1、发光二极管z1、三极管q1及运算放大器u1，所述降压电路单元的输出正端分别接运算放大器u1的供电正端及发光二极管z1的正端，电阻r1的第一端接所述充电电路单元的vref端，电阻r1的第二端接电阻r2的第一端、运算放大器u1的信号输入正端，电阻r2的第二端接电阻r3的第一端，电阻r4的第一端接充电电路单元的c 端，电阻r4的第二端接运算放大器u1的信号输入负端，运算放大器u1的输出端接二极管d1的正端，二极管d1的负端接电阻r5的第一端，电阻r5的第二端接电阻r6的第一端、三极管q1的基极，三极管q1的集电极接电阻r7的第一端，电阻r7的第二端接发光二极管z1的负端，运算放大器u1的供电负端接电阻r3的第二端、电阻r6的第二端、三极管q1的发射极、充电电路的gnd端；其中，运算放大器u1的供电正端系充电指示电路单元的电源输入正端，运算放大器u1的供电负端系充电指示电路单元的电源输入负端，电阻r1的第一端系充电指示电路单元的基准电压信号输入，电阻r4的第一端系充电指示电路单元的充电电压信号输入，发光二极管z1亮、暗变化系充电指示电路单元的输出；运算放大器u1系采用f158。
12.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，升压电路单元包含有电源管理芯片u1、电阻r1～r7、电容c1～c8、电感l1；充电电路来的超级电容单元的输出正端(标记l )接电阻r1的第一端，电阻r1的第二端接电容c1、c2、c3的第一端、芯片u1的vin端和en端、电阻r2和r4的第一端、电感l1的第一端，芯片u1的ps端接电阻r4的第二端、电阻r5的第一端，芯片u1的uvlo端接电阻r2的第二端、电阻r5的第一端，芯片u1的en端接电阻r2的第二端、电阻r3的第一端，芯片u1的gnd端和pgnd端（即中间导热焊盘）接充电电路单元来的超级电容的输出负端（标记为l-）、电容c1、c2、c3、c4、c6、c7、c8的第二端、电阻r3、r5、r7的第二端，芯片u1的vout端接电容c6、c7、c8的第一端，芯片u1的vaux端接电容c4的第一端，芯片u1的fb端接电阻r6的第一端、电容c5的第一端，电阻r6的第二端接电容c5的第二端、电阻
r7的第一端；其中，电阻r1的第一端系升压电路单元的输入正端(标记l )，芯片u1的gnd端和pgnd端系升压电路的输入负端（标记l )，芯片u1的vout端系升压电路的输出正端(标记w ），电阻r7的第一端系升压电路的输出负端（标记w-)；优选地，电源管理芯片u1系采用tps61200drc。
13.作为一种基于超级电容的飞机应急撤离灯电路的优选方案，所述光源电路单元包含有发光二极管l1～l7、电阻r1～r7，每路1只发光二极管和1只电阻串联组成，供7路并联；电阻r1～r7的第一端连接升压电路的输入电压正端，电阻r1～r7的第二端分别接发光二极管l1～l7的正端，发光二极管l1～l7的负端连接升压电路的输入电压负端。
14.与现有技术相比，本发明的优点至少在于：应急撤离灯用上述电路后，产品功能性能满足产品规范要求的同时，使产品性能优化更符合使用要求，具体如下：1.产品可实现免维护，超级电容与产品上其他器件一样无需特殊维护工作；2.产品可减少充电时间，即使电容放电已放空，20分钟内即可充满电；3.使用寿命长，超级电容与产品同寿命，正常使用不用更换；4.工作温度范围宽，超级电容的工作温度也可在-40℃～ 70℃范围，在温度小于-20℃的低温时，电容充放电也能工作，充电时间还是分钟级，放电时间还能满足产品规范要求。
附图说明
15.图1为本发明一实施例的结构示意图。
16.图2为图1中的防护电路单元的电路结构示意图。
17.图3为图1中的降压电路单元的电路结构示意图。
18.图4为图1中的充电电路和超级电容单元的结构示意图。
19.图5为图1中的超级电容单元的结构示意图。
20.图6为图1中的充电指示电路单元的结构示意图。
21.图7为图1中的升压电路单元的结构示意图。
22.图8为图1中的光源电路单元的结构示意图。
具体实施方式
23.下面通过具体的实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
24.请参见图1，图中所示的防护电路1与降压电路2相连；降压电路2与充电电路3、充电指示电路5相连；充电电路3与超级电容4、充电指示电路56、升压电路6相连；升压电路6与光源电路7相连。
25.整个电路构成超级电容作为后备蓄能电源的飞机应急撤离灯内部电路。
26.用了上述电路后，无需对产品蓄能部件进行使用维护，满足免维护、高频率正常使用的需求。
27.如图2所示，是本发明的防护电路单元。
28.防护电路单元包括电容cx1～cx3，电感l1、l2、lg2，电阻rx1、rx2，防反二极管d1，瞬态抑制二极管d2、d3。差模电容cx1、cx2和差模电感l1、l2组成第一级滤波电路，共模电感lg1和差模电容cx3组成第二级滤波电路，二级滤波电路共同组成低通滤波器。按后续电路中需滤波共模和差模信号频率计算相应的低通滤波频率转折点，然后选择了相应的电感电
容量值。电源输入电压经过滤波电路滤除掉设定的干扰信号后输入给后续的降压电路。而后续的降压电路等工作时产生的干扰信号也会被滤波电路滤除掉，不会全部反馈回供电电源。二极管d1可防止输入电源接反而烧坏产品。电阻rx1、rx2和瞬态抑制二极管d2、d3组成浪涌抑制电路，当输入电源高于33v时使后续的输出电压嵌位在一定范围以内，保护后续电路免受高压冲击。
29.如图3所示，是本发明的降压电路单元。
30.降压电路单元包括电源管理芯片u1、电阻r1～r5、电容c1～c5。降压电路中的电源管理芯片u1是ti公司的一款外围电路简单的输入高达42v输出电流高达3a的电压转换控制芯片lmz14203h；这款芯片的供电电源范围宽6v～42v，再加上防护电路中的瞬态抑制电路，对产品规范中45v100ms的浪涌电压，产品也能正常工作；工作效率可高达97%，工作频率可外部设置最高达1mhz，内置电感，外围器件少，减少了产品印制板所需的尺寸，芯片还自带过热关断保护功能、输入欠压关断功能、输出过压保护功能、输出短路保护功能、输出电流限制功能，低emi辐射性能，低封装热阻和良好的导热设计。图3上的电路是由芯片lmz14203h和其外围电路组成，可进行输出电压的恒压设置；为了减少使用器件，使电路能放进应急灯内部较小的空间中，本专利的降压电路中选用电源管理芯片u1构成器件使用最少的开关电源拓扑模式。降压电路中r2(51kω)和r3(5.1kω)设置了芯片供电电压启动工作和欠压关断保护点，根据公式v
in-enable
=1.18
×
(r2 r3)/r3，计算出12.98v是芯片输入电压的启动工作点，确保产品能在输入电压18v时正常启动工作；降压电路中r4(3.9kω)和r5(33kω)设置了芯片输出恒压点，根据公式v
out
=0.8
×
(r4 r15)/r4，计算出7.57v是芯片给充电电路和充电指示电路的供电电压设置点（恒压点）。降压电路中r1 (100kω)设置了芯片工作频率点，根据公式f
sw(ccm)
≌v
out
/(1.3
×
10
10
×
r1)，计算出582khz是芯片连续导通模式工作频率点。降压电路把设置的电压输出给充电电路和充电指示电路。
31.如图4所示，是本发明的充电电路单元。
32.充电电路单元中包括超级电容充电芯片u1、电阻r1～r14、热敏电阻rt、采样电阻rs，电容c1～c12、电感l1、二极管d1～d2、发光二极管z1～z2、场效应管q1～q2。充电电路中的电源管理芯片u1是ti公司的一款高效的同步开关控制模式的超级电容充电芯片bq24640rva；这款芯片的供电电源范围5v～28v，输出的充电电压可设置范围为2.1v～26v；工作频率可高达600khz；效率大于90%；芯片自带有输入过压保护功能、超级电容高低温工作温度监控功能、温度过热关掉保护功能。图4上的电路是由芯片bq24640rva和其外围电路组成；可进行输出电压的恒压设置和输出电流的恒流设置，对超级电容有过压和过流双重保护，可与两个n沟道mos管构建成同步buck开关电源拓扑模式；减少了使用器件，使电路能放进应急灯内部较小的空间中；bq24640rva给超级电容充电时恒流/恒压两种模式自动转换，可使超级电容上电压从0v电压开始充电，按设置的电流值恒流充电，(因芯片自带有充电电流软启动功能，故电流会经一定时间后上升到设定值)，超级电容上电压慢慢升高到设定的电压值时，充电电流开始快速下降，bq24640rva进入低功耗的睡眠充电模式；芯片工作模式可通过z1、z2指示：z1亮指示芯片的充电使能脚(芯片第2脚，ce脚:charge enble)处于高电平，开启芯片正常充电工作状态，z1不亮指示芯片在睡眠充电模式，z1闪亮指示充电暂停，可能是芯片温度检测信号输入端（芯片第4脚，ts脚:temperature signal）的信号电压不在正常范围内，也可能是芯片输入电压过压或输出电压过压，也可能是芯片的充电使能
脚处于低电平；z2亮指示芯片输入工作电压端（芯片第1脚，pg脚:power good）有电压且不在欠压状态，且芯片也不在睡眠充电模式，不亮则反之。充电电路中r12(36kω)、r13(2kω)和r14(200kω)设置了芯片输出恒压点，根据公式v
out
=2.1
×
(r12 r13 r14)/r14，计算出2.499v是芯片给超级电容的充电电压设置点（恒压点）；充电电路中r6(100kω)、r7(6.8kω) 、rs(0.01ω)设置了芯片输出恒流点，根据公式i
charge
=v
iset
/(20
×rs
)=（ v
ref
×
r7/(r6 r7)）/(20
×rs
) =3.3
×
r7/（(r6 r7)
×
(20
×rs
))，计算出1.05a是芯片给超级电容的充电电流设置点（恒流）；充电电路中ntc热敏电阻rt(100k)、r2(24.9kω)、r3(1kω)、r4(15kω) 、r5(1kω)设置了芯片ts的电压设置值，根据公式v
ts
=v
ref
×
(r4 r5) /(rt并(r2 r3) (r4 r5))，计算出芯片ts的电压设置值1.44v，在芯片资料上要求的ts电压值1.24v～2.39v的中间部分，试验证明当产品在70℃时和-55℃对超级电容充电时芯片上ts的电压没飘出1.24v（v
htf
=37.6%
×vref
=0.376
×
3.3）～2.39v（v
ltf
=72.5%
×vref
=0.725
×
3.3）的电压范围。充电电路设置了电压和电流，并自动检测外界状况，在无故障检测到的情况下给超级电容充电，先是用设定的电流恒流充电，当超级电容上电压达到设定值时，电路自动转成恒压充电，充电电流快速降下来，电路再自动转到低功耗睡眠充电模式。
33.如图5所示，是本发明的超级电容电路单元。
34.超级电容电路单元包括2个超级电容并联电路，产品中需超级电容供电的升压电路额定工作电流约0.03a，使用方建议的产品亮的时间2h（产品规范上要求产品需亮不小于15分钟的时间），放电电压变化值2.5v(超级电容充满电时电压值)-0.5v(升压电路中u1芯片的工作电压低压值)=2v，根据c=
△
q/
△
v=(i
×△
t)/
△
v，电流单位是a，时间单位是s，电压单位是v，计算出超级电容容量需有108f，因低温下超级电容容量会下降，且低温下超级电容放电内阻变大使放电能量下降，故按产品尺寸要求选了2个120f的超级电容并联，也留有余量，相应增强存储能量，以使产品放电时间在产品整个工作温度范围内均能满足使用方和产品规范要求。
35.如图6所示，是本发明的充电指示电路。
36.充电指示电路包括运算放大器u1、二极管d1、发光二极管z1、三极管q1、电阻r1～r7，充电电路过来的3.3v的vref电压通过电阻r1～r3的分压后，设置了运放u1的3脚输入电压是2.36v，超级电容电压信号c 送入运放u1的2脚，当超级电容电压小于2.36v时，运放u1的1脚输出高，驱动三极管q1导通，使指示灯z1亮，当超级电容电压充电后慢慢上升到高于2.36v时，运放u1的1脚输出低，使三极管q1截止，使指示灯z1不亮，以一个指示灯提示产品正在充电工作还是产品充电完成可以放电使用。
37.如图7所示，是本发明的升压电路单元。
38.升压电路单元包括电源管理芯片u1、电阻r1～r7、电容c1～c8。升压电路中的电源管理芯片u1是ti公司的一款外围电路简单的低输入电压同步升压电压转换控制芯片tps61200drc；这款芯片的供电电源范围0.3v～5.5v；工作效率高于90%，工作频率可外部设置大于等于1.25mhz，芯片还自带过热关断保护功能、可外围设置欠压阈值的输入欠压关断功能、输出过压保护功能、输出短路保护功能，在低负载电流时具有省电工作模式。图3上的电路是由芯片lmz14203h和其外围电路组成，可进行输出电压的恒压设置；为了减少使用器件，使电路能放进应急灯内部较小的空间中，本专利的升压电路中选用电源管理芯片u1构成器件使用最少的开关电源拓扑模式。升压电路中r2(0ω)设置了芯片无需输入欠压保护
工作；升压电路中r7(30ω)设置了芯片输出恒流点，根据公式i
out
=0.5/r7，计算出0.017a是芯片给光源电路的供电电源电流设置点（恒流点）。升压电路中r6 (2.4kω)和c5（22nf）设置了芯片fb脚的信号滤波网络，使芯片对输出电流控制更稳定。升压电路中r5 (0ω)设置了芯片工作省电模式开启。升压电路把设置的转换电源电流输出给光源电路。
39.如图8所示，是本发明的光源电路单元。
40.光源电路单元包括7路发光二极管并联电路，一路由1只发光二极管串联一只限流电阻组成，共有7个发光二极管和7个限流电阻组成，使用发光角度小的引脚发光二级管更能使光源聚光后再通过产品反光罩进行聚光，使产品光效更高。
41.以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。