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1、(10)申请公布号 CN 102832680 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 2 6 8 0 A *CN102832680A* (21)申请号 201210376459.2 (22)申请日 2012.10.08 H02J 7/04(2006.01) H02J 15/00(2006.01) (71)申请人南京觅丹电子信息有限公司 地址 210000 江苏省南京市鼓楼区江东北路 388号 (72)发明人刘镇阳 李文锋 许建华 陆敬筠 王养森 孙伟 王伟 刘辰成 刘德田 (74)专利代理机构南京知识律师事务所 32207 代理人汪旭东 (54) 发明名称 一。
2、种超级电容作为储能介质的物机 (57) 摘要 一种超级电容作为储能介质的物机，其电源 系统为微处理器、GSM模块、485模块、Zigbee模 块、WIFI模块和三极管隔离模块提供所需电源， GSM模块的UART、控制信号和状态信号与三极管 隔离电路的一边相连，三极管隔离电路的另一边 与微处理器UART、控制信号和状态信号相连，由 三极管隔离电路解决GSM模块和微处理器之间信 号电平匹配，微处理器通过监测GSM模块的状态 信号掌握GSM模块运行情况，发现GSM模块通信异 常及时通过控制信号进行处理，包括对GSM模块 实施冷启动，微处理器与485模块、Zigbee模块、 WIFI模块之间采用的UA。
3、RT和控制信号连接。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 3 页 1/2页 2 1.一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：包括电源系统、微处理器、GSM模 块、485模块、Zigbee模块、WIFI模块、三极管隔离电路； 电源系统为微处理器、GSM模块、485模块、Zigbee模块、WIFI模块和三极管隔离模块 提供所需电源，GSM模块的UART、控制信号和状态信号与三极管隔离电路的一边相连，三极 管隔离电路的另一边与微处理器UART、控制信号和状态信号相连，由。
4、三极管隔离电路解决 GSM模块和微处理器之间信号电平匹配，微处理器通过监测GSM模块的状态信号掌握GSM模 块运行情况，发现GSM模块通信异常及时通过控制信号进行处理，包括对GSM模块实施冷启 动，微处理器与485模块、Zigbee模块、WIFI模块之间采用的UART和控制信号连接。 2.根据权利要求1所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的电 源系统包括电源端子、电源适配模块、超级电容管理模块、电压监测电路、复位电路、降压电 路、选择电路； 外接电源通过电源端子输入到电源适配模块，电源适配模块输出稳定的5V到超级电 容管理模块、电压监测电路、复位电路和降压电路； 超级电容管理。
5、模块向微处理器、三极 管隔离电路和选择电路提供不间断的恒压电源3.3V，通过微处理器控制输出满足GSM模块 和三极管隔离电路所需的VBAT3.6-4.2V；电压监测电路输出电源适配模块的输出状态到 微处理器；复位电路根据电源适配模块的输出产生微处理器的复位信号；降压电路在电源 适配模块输出时提供恒压电源3.3V给选择电路；选择电路通过微处理器控制选择不间断 的恒压电源3.3V或恒压电源3.3V作为485模块、Zugbee模块和WIFI模块的电源。 3.根据权利要求2所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的485 模块由光电隔离电路、DC/DC隔离电路、485芯片、接口、485端。
6、子组成，选择电路输出的电源 与DC/DC隔离电路的输入和光电隔离电路相连； DC/DC隔离电路的输出与光电隔离电路、 485芯片和接口相连；光电隔离电路的信号输入与微处理器相连，光电隔离电路的信号输 出与485芯片的信号输入相连；485芯片的输出与接口的输入相连；接口的输出与485端子 相连，485端子与地相连。 4.根据权利要求2所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的超 级电容管理模块,包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电路、自动切换模块、控制开 关、恒压电路； 5V与充电电路、稳压电路和自动切换模块相连，充电电路的输出与平衡电路相连，平衡 电路的输出与超级电容和自动切。
7、换模块相连；稳压电路的输出与控制开关、恒压电路和自 动切换模块相连；控制开关的输出VBAT是受控制的；恒压电路输出恒定的3.3V。 5.根据权利要求4所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的充 电电路由E4、P3、E5和R6组成，E4的正端与P3的VCC相连并接到+5V，E4的负端与地连 接；P3的FB和BAT与E5正端相连输出4.2V，P3的TEMP、GND、E5的负端、R6的一端相连并 接到地，P3的IR与R6的另一端相连。 6.根据权利要求4所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的平 衡电路由P6、P7、P8、P9、R13、 R14、 R15、 R16组成。
8、，BAT+连接到P7的S、R13的一端、R14 的一端、CA的正端，R13的另一端连到P6的VIN，P6的OUT连到P7的G、R14的另一端，P6 的VSS与CA的负端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相连，R15的另一端与P8的VIN 相连，P8的OUT连到P9的G、R16的另一端，P8的VSS与CB的负端、P9的D相连并连接到 权 利 要 求 书CN 102832680 A 2/2页 3 地；超级电容由CA和CB组成。 7.根据权利要求4所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的稳 压电路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3组成，E1的正端与P1的IN和EN。
9、相连并接到+5V，P1的 ADJ与R1的一端、R2的一端相连；P1的OUT与R2的另一端、E2的正端、C1的一端、R3的一 端相连输出4.2V稳压电源，P1的GND与E1的负端、R1的另一端、E2的负端、C1的另一端、 R3的另一端相连并接到地。 8.根据权利要求4所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的自 动切换模块由P4和R7组成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G与R7的一端相连并接到 +5V，R7的另一端接地，P4的S接到4.2V，P4的D接到BAT+。 9.根据权利要求4所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的控 制开关由P2、R4、R5、E。
10、3组成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G与R5的一端相，连，P2的 S与R4的一端相连并接到4.2V，P4的D与E3的正端相连输出BATT，E3的负端接地，R4的 另一端与R5另一端相连接到PCCTL。 10.根据权利要求4所述的一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在于：所述的恒 压电路由R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7组成，P5采用SIPEX的SP6650配置 外围器件提供恒定3.3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相连与E6的正端、R9的一端、R8的一端 相连接到4.2V,R9的另一端与C2的一端相连，C2的另一端接地，P5的LX与L的一。
11、端、R10 的一端相连，L的另一端与C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相连并输出3.3V，R10的另一 端与C3的另一端、R11的一端相连，R11的另一端与P5的FB、R12的一端、E7的负端、P5的 PGND、P5的GND相连并接到地。 权 利 要 求 书CN 102832680 A 1/8页 4 一种超级电容作为储能介质的物机 技术领域 0001 本发明涉及物联网中的智能器件，具体涉及一种采用超级电容替代锂电池作为储 能介质的物机。 背景技术 0002 “物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与 物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念，实现人与物、物。
12、与物之间信息互通。把传 感器装备到各种真实物体上使其具有智慧，智慧物体通过嵌入式系统运行特定程序感知自 身和外部信息，感知过程是人与物、物与物进行信息互通的过程。 0003 智慧物体使用RS422485总线、现场总线、CAN 总线、ZigBee技术等连接智能化 终端构建成一个智能化的局域物联系统，给局域物联系统配置相应的互联网接口，连接到 互联网上，便实现互联网向物联网的拓展。 0004 移动网络的快速发展，适用于人的移动终端手机用户发展迅猛，手机的功能在 不断增强，移动互联已得到普及,当今的人们已经离不开手机。智慧物体的出现，必然需要 使用一种合适于智慧物体使用的移动终端设备物机，物机与手机。
13、最大的差别是使用的对 象，造成物机不能像手机一样快速发展的瓶颈之一是物机使用的电池。 0005 物机是利用GSM网络，以GSM模块为核心，配置MCU、通信接口和电源等应用于真实 物体的移动通信终端设备，物机虽然是移动通信终端设备，但其安装后是相对固定的。物机 对于人来说是远程受控终端，反映远程监视真实物体的状况。电源是真实物体所有监视设 备或系统的动力，因此，电源故障（停电）的监测及报警是物机必备的功能。 0006 物机最初沿用手机采用锂电池作为储能介质，通过实际应用的验证，发现物机使 用锂电池作为储能介质是不可取的。如在城市路灯电缆防盗报警中使用物机报警，最终由 于锂电池低温不够、完全充放电。
14、次数少等，使得物机在实际应用过程中故障太多，维修量巨 大；在家居安防报警系统中也由于锂电池问题降低了设备的可靠性，锂电池成为物机推广 应用的主要瓶颈之一，主要原因是： （1）锂电池完全冲放电次数只能在300次左右，制约了设备的寿命，造成后期设备的维 护量巨大，以至于阻碍了设备进行大面积推广应用； （2）锂电池的放电效率与环境温度有很大关系，对于室外全天候应用的设备无法解决 低温环境的应用。 0007 超级电容是近年发展快速的种大容量储能元件，和普通电池相比，具有功率密度 高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点，在电动汽车、新能源等领域的应 用日益广泛。 0008 针对物机这种真实。
15、物体使用的移动终端设备，超级电容完全可以取代锂电池作为 物机的储能介质，二者的比较如下： 超级电容具有超宽的温度适用范围，通常可以达到4085；而一般电池是 -2060。； 说 明 书CN 102832680 A 2/8页 5 超级电容大电流充放电性能优越，功率密度(Power Density)是锂离子电池的数十 倍以 上； 超级电容充放电时间短，充电电路简单，无需限流和充放电控制回路，无记忆效应。 0009 二次电池受充放电电流限制，充电时间长，一般需几小时到十几小时，而双电层电 容器不受充电电流限制，可快速充电，几秒到几十秒即可充满； 超级电容具有超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Io。
16、n电池的500倍，是Ni-MH和 Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。 0010 虽然超级电容有许多优点，但是超级电容在物机中的应用，还存在着如下问题： 如何采用超级电容取代锂电池应用到物机，突破因锂电池局限导致物机在实际应用中 可靠性低的瓶颈，这是本领域技术研究的方向。 0011 物机是手机拓展应用到智慧物体的产物，其固定安装于智慧物体之上，随智慧物 体的移动而移动，具有相对固定的特点；智慧物体与物机之间以数据通信为主，兼顾语音和 视频；由于智慧物体的智慧不够，物机需要具备自检测GSM网络、电源的能力，对故障能实 现自修复或报警，实现这些功能，储能。
17、介质是物机必备的。 0012 已知物机的储能介质是电池，手机使用的储能介质锂电池是物机设计者沿用的 依据。虽然有关手机上使用锂电池的配套充放电器件都非常成熟，但由于物机与手机的使 用对象不同，也就是说：物机的使用对象是智慧物体，手机的使用对象是人，智慧物体的智 慧目前还无法与人相比，导致手机上普遍使用的锂电池在物机上应用存在严重的缺陷，成 为提升物机可靠性指标的瓶颈。 0013 超级电容一直用于常规电容和电池之间的专门市场，随着更多新应用的发现，这 一专门市场也在不断增长。在数据存储应用中，超级电容正在取代电池，包括3.3V内存备 份固态硬盘(SSD)、电池供电的便携式工业和医疗设备、工业警报。
18、器以及智能功率计。 0014 物机中GSM模块的VBAT采用3.4V到4.5V的单电源供电。在一些情况下，信号 传输的猝发会导致电压跌落，这时电流损耗的峰值会达到2A，因此，电源必须能提供足够到 2A的电流。 0015 由于超级电容的电压值很低（3V以下），单个超级电容不能满足物机中GSM模块所 需电压要求（3.4V到4.5V），因此，需要两个超级电容进行串联才能满足。由于生产工艺的 限制，超级电容在制造过程中无法做到材质的绝对均匀，导致各个超级电容单体参数的分 散性。两个串联工作的超级电容，不同超级电容单体上电压存在差别，即过电压和欠电压两 种不健康状态。过电压状态将缩短超级电容的寿命，严重。
19、时会发生爆炸，而处于欠电压状态 的超级电容器，其容量不能充分利用，存在浪费。所以对物机使用的2个串联超能电容组必 须引入均压技术，以提高超级电容组的可靠性和利用率，并延长超级电容的使用寿命。 0016 一种简单的解决方案是使用凌力尔特超级电容充电器方案，LTC3226是一款无电 感的超级电容充电器，具有备份的电源通路控制器，使用2.5-5.5V的输入电源给两节串联 的超级电容充电，并充电至2.5-5.3V的可编程超级电容充电电压。该器件的自动容量平衡 和电压钳位功能可保持两节超级电容上的电压相等。但仔细分析LTC3226的电压钳位电 路，发现它不适合在物机中应用，主要是： LTC3226充电泵。
20、配备用于将任意超级电容两端的电压限制为一个2.65V的最大 说 明 书CN 102832680 A 3/8页 6 可容许 预设电压的电路。利用它来解决物机使用超级电容作为存储介质的充电是可行的，但 如果从物机电源系统总体考虑，由于LTC3226是通用器件，对于物机参数确定的应用，不仅 需要通过阻容计算、调试后，才能确定LTC3226的外围电路配置，而且使用LTC3226的LDO 稳压器的功率小等原因无法满足物机的供电需求，不使用LTC3226的LDO稳压器造成浪费。 0017 LTC3226的价格偏高。 发明内容 0018 针对以上问题本发明提供了一种充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保。
21、的 超级电容作为储能介质的物机。物机采用超级电容而不是锂电池作为储能介质，提出解决 两节超级电容串联在物机中应用的低成本方法。 0019 为了解决以上问题本发明提供了一种超级电容作为储能介质的物机，其特征在 于：包括电源系统、微处理器、GSM模块、485模块、Zigbee模块、WIFI模块、三极管隔离电 路； 电源系统为微处理器、GSM模块、485模块、Zigbee模块、WIFI模块和三极管隔离模块 提供所需电源，GSM模块的UART、控制信号和状态信号与三极管隔离电路的一边相连，三极 管隔离电路的另一边与微处理器UART、控制信号和状态信号相连，由三极管隔离电路解决 GSM模块和微处理器之间。
22、信号电平匹配，微处理器通过监测GSM模块的状态信号掌握GSM模 块运行情况，发现GSM模块通信异常及时通过控制信号进行处理，包括对GSM模块实施冷启 动，微处理器与485模块、Zigbee模块、WIFI模块之间采用的UART和控制信号连接。 0020 所述的电源系统包括电源端子、电源适配模块、超级电容管理模块、电压监测电 路、复位电路、降压电路、选择电路； 外接电源通过电源端子输入到电源适配模块，电源适配模块输出稳定的5V到超级电 容管理模块、电压监测电路、复位电路和降压电路； 超级电容管理模块向微处理器、三极 管隔离电路和选择电路提供不间断的恒压电源3.3V，通过微处理器控制输出满足GSM模。
23、块 和三极管隔离电路所需的VBAT3.6-4.2V；电压监测电路输出电源适配模块的输出状态到 微处理器；复位电路根据电源适配模块的输出产生微处理器的复位信号；降压电路在电源 适配模块输出时提供恒压电源3.3V给选择电路；选择电路通过微处理器控制选择不间断 的恒压电源3.3V或恒压电源3.3V作为485模块、Zugbee模块和WIFI模块的电源。 0021 所述的485模块由光电隔离电路、DC/DC隔离电路、485芯片、接口、485端子组成， 选择电路输出的电源与DC/DC隔离电路的输入和光电隔离电路相连； DC/DC隔离电路的输 出与光电隔离电路、485芯片和接口相连；光电隔离电路的信号输入与。
24、微处理器相连，光电 隔离电路的信号输出与485芯片的信号输入相连；485芯片的输出与接口的输入相连；接口 的输出与485端子相连，485端子与地相连。 0022 所述的超级电容管理模块,包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电路、自动 切换模块、控制开关、恒压电路； 5V与充电电路、稳压电路和自动切换模块相连，充电电路的输出与平衡电路相连，平衡 电路的输出与超级电容和自动切换模块相连；稳压电路的输出与控制开关、恒压电路和自 动切换模块相连；控制开关的输出VBAT是受控制的；恒压电路输出恒定的3.3V。 说 明 书CN 102832680 A 4/8页 7 0023 所述的充电电路由E4、P3、。
25、E5和R6组成，E4的正端与P3的VCC相连并接到+5V， E4的负端与地连接；P3的FB和BAT与E5正端相连输出4.2V，P3的TEMP、GND、E5的负端、 R6的一端相连并接到地，P3的IR与R6的另一端相连。 0024 所述的平衡电路由P6、P7、P8、P9、R13、 R14、 R15、 R16组成，BAT+连接到P7的 S、R13的一端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端连到P6的VIN，P6的OUT连到P7的G、 R14的另一端，P6的VSS与CA的负端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相连，R15的 另一端与P8的VIN相连，P8的OUT连到P9的G、R16的。
26、另一端，P8的VSS与CB的负端、P9 的D相连并连接到地；超级电容由CA和CB组成； 所述的稳压电路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3组成，E1的正端与P1的IN和EN相连并 接到+5V，P1的ADJ与R1的一端、R2的一端相连；P1的OUT与R2的另一端、E2的正端、C1 的一端、R3的一端相连输出4.2V稳压电源，P1的GND与E1的负端、R1的另一端、E2的负 端、C1的另一端、R3的另一端相连并接到地； 所述的自动切换模块由P4和R7组成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G与R7的一 端相连并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4.2V，P4的D接到BAT+；。
27、 所述的控制开关由P2、R4、R5、E3组成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G与R5的一 端相，连，P2的S与R4的一端相连并接到4.2V，P4的D与E3的正端相连输出BATT，E3的 负端接地，R4的另一端与R5另一端相连接到PCCTL； 所述的恒压电路由R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7组成，P5采用SIPEX的 SP6650配置外围器件提供恒定3.3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相连与E6的正端、R9的一端、 R8的一端相连接到4.2V,R9的另一端与C2的一端相连，C2的另一端接地，P5的LX与L的 一端、R10的一端相连，L的另一端。
28、与C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相连并输出3.3V， R10的另一端与C3的另一端、R11的一端相连，R11的另一端与P5的FB、R12的一端、E7的 负端、P5的PGND、P5的GND相连并接到地。 0025 有益效果：本发明的电源系统是物机的动力之源，超级电容管理模块是电源系统 的储能介质，当电源系统的输入失电后，物机依靠超级电容管理模块的储能完成短信报警。 采用超级电容管理模块而不是锂电池进行储能，使物机不仅适用恶劣环境，而且克服了锂 电池充电寿命的限制。 0026 本发明的超级电容管理模块将5V输入电压通过变换和储能输出具有后备的3.3V 和可控制输出的VBAT(3.6-4.2。
29、V)。储能介质使用两节2.7V的超级电容替代单节锂电池，克 服锂电池作为物机储能介质在寿命和低温方面的缺陷。 附图说明 0027 图1为本发明物机的组成框图； 图2 为本发明的超级电容管理模块的组成框图； 图3 为本发明具体实施案例图。 具体实施方式 0028 下面结合附图对本发明作进一步的描述。 0029 如图1所示，一种超级电容作为储能介质的物机，包括电源系统、微处理器、GSM模 说 明 书CN 102832680 A 5/8页 8 块、485模块、Zigbee模块、WIFI模块、三极管隔离电路； 电源系统为微处理器、GSM模块、485模块、Zigbee模块、WIFI模块和三极管隔离模块 。
30、提供所需电源。 0030 GSM模块的UART、控制信号和状态信号与三极管隔离电路的一边相连，三极管隔 离电路的另一边与微处理器UART、控制信号和状态信号相连，由三极管隔离电路解决GSM 模块和微处理器之间信号电平匹配，微处理器通过监测GSM模块的状态信号掌握GSM模块 运行情况，发现GSM模块通信异常及时通过控制信号进行处理，包括对GSM模块实施冷启 动。 0031 微处理器与485模块、Zigbee模块、WIFI模块之间采用的UART和控制信号连接。 0032 所述的电源系统，包括电源端子、电源适配模块、超级电容管理模块、电压监测电 路、复位电路、降压电路、选择电路； 外接电源通过电源端。
31、子输入到电源适配模块，电源适配模块输出稳定的5V到超级电 容管理模块、电压监测电路、复位电路和降压电路； 超级电容管理模块向微处理器、三极 管隔离电路和选择电路提供不间断的恒压电源（3.3V），通过微处理器控制输出满足GSM模 块和三极管隔离电路所需的VBAT(3.6-4.2V)；电压监测电路输出电源适配模块的输出状 态到微处理器；复位电路根据电源适配模块的输出产生微处理器的复位信号；降压电路在 电源适配模块输出时提供恒压电源（3.3V）给选择电路；选择电路通过微处理器控制选择 不间断的恒压电源（3.3V）或恒压电源（3.3V）作为485模块、Zugbee模块和WIFI模块的电 源。 0033。
32、 485模块由光电隔离电路、DC/DC隔离电路、485芯片、接口、485端子组成，选择电 路输出的电源与DC/DC隔离电路的输入和光电隔离电路相连； DC/DC隔离电路的输出与光 电隔离电路、485芯片和接口相连；光电隔离电路的信号输入与微处理器相连，光电隔离电 路的信号输出与485芯片的信号输入相连；485芯片的输出与接口的输入相连；接口的输出 与485端子相连，485端子与地相连。 0034 微处理器：微处理器由SIPEX的SP6650提供稳定3.3V，SP6650的电压输入范围 为2.7V到6.5V。微处理器选用STC12LE32S2，其省电模式所需电流在2mA。当超级电容 供电，发送报。
33、警短信后超级电容的电压为3.6V，可用于微处理器待机的超级电容容量为： 15Fx(3.6V-2.7V)=13.5As；因此，微处理器的待机时间为：13.5As/2mA=13.5*1000/2=6750 s=1.87H。 0035 如图1、2所示，所述的超级电容管理模块包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳 压电路、自动切换模块、控制开关、恒压电路； 5V与充电电路、稳压电路和自动切换模块相连，充电电路的输出与平衡电路相连，平衡 电路的输出与超级电容和自动切换模块相连；稳压电路的输出与控制开关、恒压电路和自 动切换模块相连；控制开关的输出VBAT是受控制的；恒压电路输出恒定的3.3V。 0036 。
34、超级电容：两节2.7V的超级电容串联的容量计算，为了缩小物机的总体体积，选 择合适的超级电容容量是关键。为了保证物机在外部失电后依靠超级电容储能发送短信 报警信号，最多发送16条报警短信。经测试发送1条报警短信的平均时间为：1.5s，连续 发送的平均时间为：2.2s，因此，发送16条报警短信的时间为:35.2s，物机在发送短信时 所需平均电流为：250mA。35.2sX250mA=8800mAs=8.8As。物机发送短信的电压范围为： 说 明 书CN 102832680 A 6/8页 9 4.2V-3.6V=0.6V；两节串联超级电容的容量为：8.8As/0.6V=14.67F，取整为15F。。
35、因此，单 节超级电容选择为30F。 0037 如图3所示，各部分的主要IC型号是：充电电路（CN3068）、稳压电路 （MIC29302BU）、自动切换模块和控制开关（IRF7416）、恒压电路（SP6650）、平衡电路 （XC61CN2202MR和XP161A1355PR）。 0038 充电电路（CN3068）：从成本控制设计，根据VBAT(3.6-4.2V)的要求，选择使用成 熟的单节锂电池充电集成电路。实验验证：国产500毫安USB接口兼容的锂电池充电集成 电路CN3068完全满足设计需要。 0039 CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电的充电器电路。该器件内 部包括功。
36、率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。CN3068只需要极少 的外围元器件，并且符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的领域。热调制电路可 以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。充电电 流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3068自动进入低功耗的睡眠模式，此时 电池的电流消耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控 以及充电状态/充电结束状态指示等功能。CN3068采用8管脚小外形封装(SOP8)。 0040 虽然CN3068有内部固定4.2V的恒压充电电压和可以通过一个外部的电阻调节恒 压充电电压两种。
37、模式，但在实际使用中当使用外部电阻调整恒压充电电压时，由于芯片内 部和外部的温度不一致及芯片生产时的工艺偏差等原因，可能导致输出电压的精度变差和 温度系数变大。同时，因需外接电阻不仅增加材料、装配成本，更重要的是增加了调试的难 度。因此，在本发明中采用CN3068内部固定4.2V的恒压充电电压模式。 0041 平衡电路（XC61CN2202MR和XP161A1355PR）: 选择采用两节2.7V的超级电容串联，现有两节2.7V超级电容串联模组采用电压比较 器、NMOSFET和电阻来实现平衡电路，但在电压比较器的选择上选用2.6V的比较器，因此， 两节2.7V超级电容串联模组的电压为2.6x2=。
38、5.2V，不符合物机4.2V。TOREX的XC61C系列 高精度、低功耗电压比较器的精度为：2%，电压检测范围从1.6V到6V，步进0.1V，工作电 压范围0.7V到10.0V。XC61C型号的选择的指标计算： （1） 电压检测值 根据XC61C的精度为2%，CN3068的充电电压为4.2V，即： 两节串联超级电容的最高电压：4.2Vx(1+2%)=4.284V； 两节串联超级电容的最低电压：4.2Vx(1-2%)=4.116V； 为了保证两节串联超级电容的最高电压达到4.2V，因此，单节的电压检测值应该为： 4.284V/2=2.142V。 0042 （2） XC61C型号确定 XC61C的。
39、型号根据电压检测范围从1.6V到6V，步进0.1V来确定的，因此我们选择2.2V 最为合适。具体型号为：XC61CN2202MR。 0043 XP161A1355PR是N MOS功率开关，与XC61CN2202MR配合使用，由XC61CN2202MR的 输出控制XP161A1355PR导通，实现两节级电容串联模组的平衡充电。 0044 如图2、3所示，本发明具体实施案例包括充电电路、平衡电路、超级电容、稳压电 路、自动切换模块、控制开关、恒压电路； 说 明 书CN 102832680 A 7/8页 10 充电电路由E4、P3、E5和R6组成，E4的正端与、P3的VCC相连并接到+5V，E4的负。
40、端 与地连接；P3的FB和BAT与E5正端相连输出4.2V，P3的TEMP、GND、E5的负端、R6的一端 相连并接到地，P3的IR与R6的另一端相连； 平衡电路由P6、P7、P8、P9、R13、 R14、 R15、 R16组成，BAT+连接到P7的S、R13的一 端、R14的一端、CA的正端，R13的另一端连到P6的VIN，P6的OUT连到P7的G、R14的另 一端，P6的VSS与CA的负端、P7的D、P9的S、R15的一端、CB的正端相连，R15的另一端与 P8的VIN相连，P8的OUT连到P9的G、R16的另一端，P8的VSS与CB的负端、P9的D相连 并连接到地；超级电容由CA和CB组。
41、成； 稳压电路由E1、P1、R1、R2、E2、C1、R3组成，E1的正端与P1的IN和EN相连并接到+5V， P1的ADJ与R1的一端、R2的一端相连；P1的OUT与R2的另一端、E2的正端、C1的一端、 R3的一端相连输出4.2V稳压电源，P1的GND与E1的负端、R1的另一端、E2的负端、C1的 另一端、R3的另一端相连并接到地； 自动切换模块由P4和R7组成，P4采用NMOS器件IRF7416，P4的G与R7的一端相连 并接到+5V，R7的另一端接地，P4的S接到4.2V，P4的D接到BAT+； 控制开关由P2、R4、R5、E3组成，P2采用NMOS器件IRF7416，P2的G与R5的一。
42、端相， 连，P2的S与R4的一端相连并接到4.2V，P4的D与E3的正端相连输出BATT，E3的负端接 地，R4的另一端与R5另一端相连接到PCCTL； 恒压电路由R8、R9、C2、E6、P5、L、R10、C3、R11、R12、E7组成，P5采用SIPEX的SP6650 配置外围器件提供恒定3.3V，P5的PVIN、ILM和SHDN相连与E6的正端、R9的一端、R8的 一端相连接到4.2V,R9的另一端与C2的一端相连，C2的另一端接地，P5的LX与L的一端、 R10的一端相连，L的另一端与C3的一端、E7的正端、P5的VOUT相连并输出3.3V，R10的 另一端与C3的另一端、R11的一端相。
43、连，R11的另一端与P5的FB、R12的一端、E7的负端、 P5的PGND、P5的GND相连并接到地。 0045 本发明具备以下优点： 本发明采用手机锂电池充电管理芯片实现对两节超级电容串联两端电压的限 制，根据 GSM模块VBAT输入电压范围要求，控制其充电电压在4.2V。而这种充电管理芯片不仅 出货量大，而且售价低。 0046 本发明采用电压比较器和MOSFET来实现两节超级电容串联时的平衡充电 电路，根据物 机对两节超级电容串联两端充电电压限制在4.2V，我们可以选择定电压的比较器，不 仅精度高，而且价格也好。 0047 本发明采用MOSFET实现物机在选择电源或超级电容供电的自动切换，。
44、为微处 理器提供 3.3V不间断电源，通过微处理器控制给GSM模块VBAT提供3.6-4.2V的电源，电源供电 时为4.2V，超级电容供电时为3.6-4.2V。 0048 本发明采用微处理器控制GSM模块VBAT的目的是：当微处理器检测到GSM模块 异常， 热启动不能成功时，可以通过控制GSM模块VBAT的下电和上电，实现GSM模块的冷启 说 明 书CN 102832680 A 10 8/8页 11 动，确保物机工作正常。 0049 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术 人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。 说 明 书CN 102832680 A 11 1/3页 12 图1 说 明 书 附 图CN 102832680 A 12 2/3页 13 图2 说 明 书 附 图CN 102832680 A 13 3/3页 14 图3 说 明 书 附 图CN 102832680 A 14 。