本文討論了有關(guān)為這些大電容充電的挑戰(zhàn)，并向電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師介紹了如何評(píng)估和選擇適合后備能量存儲(chǔ)應(yīng)用的最佳系統(tǒng)配置。文中介紹了一種超級(jí)電容充電器解決方案范例，并提供了波形和詳細(xì)解釋。

系統(tǒng)詳述

許多系統(tǒng)配置都使用超級(jí)電容組作為后備能量存儲(chǔ)組件。一開始，設(shè)計(jì)工程師需要確定其能量存儲(chǔ)配置目標(biāo)，然后決定可用多大電壓來存儲(chǔ)能量。解決方案選擇取決于負(fù)載的功率和電壓要求，以及超級(jí)電容的能量和電壓能力。在確定了最佳解決方案后，還必須對(duì)整體性能與成本進(jìn)行平衡。

圖1顯示了一種高效率解決方案的框圖，其中的負(fù)載是需要穩(wěn)定輸入電壓（3.3V、5V、12V等）的器件。48V主電源為正常工作的開關(guān)穩(wěn)壓器2（SW2）供電，同時(shí)通過開關(guān)穩(wěn)壓器1（SW1）為超級(jí)電容組充電，使其電壓達(dá)到25V。當(dāng)主電源斷開時(shí)，超級(jí)電容組向SW2供電，以維持負(fù)載的連續(xù)運(yùn)行。

圖1.一種使用超級(jí)電容組的電池后備系統(tǒng)的框圖

選定超級(jí)電容后，系統(tǒng)工程師還必須選擇為超級(jí)電容充電的目標(biāo)電壓，其根據(jù)是超級(jí)電容的定額曲線。大多數(shù)超級(jí)電容單元的額定電壓范圍為室溫下2.5V-3.3V，此額定值在更高溫度時(shí)下降，隨之帶來更長(zhǎng)的預(yù)期壽命。通常，充電目標(biāo)電壓設(shè)置值應(yīng)低于最大額定電壓，以延長(zhǎng)超級(jí)電容的工作壽命。

接下來需要選擇超級(jí)電容組的預(yù)期電壓和SW2拓?fù)?。超?jí)電容組配置可為并聯(lián)、串聯(lián)或者并聯(lián)的串聯(lián)電容串組合。因?yàn)閱卧娙蓦妷侯~定值通常低于3.3V，且負(fù)載常常需要相等或更高的供電電壓，所以針對(duì)電容單元配置和SW2的選項(xiàng)是，使用一個(gè)電容單元與一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，或串聯(lián)的多個(gè)電容單元與一個(gè)降壓或降壓-升壓穩(wěn)壓器。若使用升壓配置，我們必須確保在超級(jí)電容放電時(shí)，電壓不會(huì)下降至低于SW2的最小工作輸入電壓。該電壓下降可能多達(dá)超級(jí)電容充電電壓的一半之多，為此，我們舉一個(gè)由串聯(lián)超級(jí)電容組合和一個(gè)簡(jiǎn)單降壓穩(wěn)壓器（SW1）組成的超級(jí)電容組的例子。然后，如果能量要求需要的話，將并聯(lián)多個(gè)串聯(lián)電容串。

如果選擇超級(jí)電容的串聯(lián)組合，則必須根據(jù)電容串頂端的最大預(yù)期電壓來選擇所用電容單元的數(shù)目。更多的串聯(lián)電容意味著超級(jí)電容串的電容值更小而電壓更高。例如，假設(shè)選擇使用兩串由四個(gè)2.7V 10F電容組成的電容串和由八個(gè)相同電容（串聯(lián)）組成的一個(gè)電容串。雖然兩種配置可存儲(chǔ)總電荷和能量是相同的，但電容串的可用電壓范圍使單個(gè)串聯(lián)串具有優(yōu)勢(shì)。例如，如果有一個(gè)需要5V偏壓的負(fù)載，則SW2需要的電壓為6V左右（考慮到其最大占空比和其他壓差因素）。

●電容中的能量W=CV2/2，可用能量W= C/2（Vcharge2 - Vdicharge2）

●對(duì)于每串4個(gè)電容的兩個(gè)電容串，可用能量W = 2*［（10F/4）/2*（（2.7V*4）2-6V2）］ = 201.6J

●對(duì)于包含8個(gè)電容（串聯(lián)）的單個(gè)電容串，可用能量W = 1*［（10F/8）/2*（（2.7V*8）2-6V2）］ = 269.1J

因?yàn)閮蓚€(gè)電容組可存儲(chǔ)相同的總能量，所以電壓較低的電容串的充電浪費(fèi)/不可用百分比更大。在本例中，優(yōu)先選擇更高的電容串電壓，以充分利用超級(jí)電容。

第三個(gè)系統(tǒng)挑戰(zhàn)來自如何為超級(jí)電容組充電。一開始，當(dāng)超級(jí)電容電壓為0時(shí)，由于高電容值，SW1 需要在類似輸出短路的條件下工作相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。常規(guī) SW1 可能陷于打嗝模式而無法為超級(jí)電容充電。為了保護(hù)超級(jí)電容和 SW1，在充電階段開始時(shí)需要附加的電流限制功能。一種令人滿意的解決方案是讓 SW1 在幾乎無輸出電壓的條件下提供加長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)充電電流。

為超級(jí)電容充電有許多方法。恒定電流/恒定電壓（CICV）是常用的首選方法，如圖2（CIVE曲線）所示。在充電周期開始時(shí)，充電器件（SW1）在恒定電流模式下工作，向超級(jí)電容提供恒定電流，使得其電壓呈線性增加。在超級(jí)電容充電至目標(biāo)電壓時(shí)，恒定電壓回路激活并準(zhǔn)確地控制超級(jí)電容充電電平，使之保持恒定，以避免過度充電。同樣，該優(yōu)先解決方案也提出了對(duì)電源管理功能的要求，需要在設(shè)計(jì)中加以考慮。

圖2.CICV超級(jí)電容充電控制

再以圖1為例，在48V主電源、25V超級(jí)電容組電壓以及3.3V、5V、12V等負(fù)載電壓的情況下，為SW1和SW2選擇同步降壓功能是合適的。由于主要挑戰(zhàn)與超級(jí)電容充電有關(guān)，所以針對(duì)SW1的選擇非常重要。針對(duì)SW1的理想解決方案對(duì)電源管理功能的要求是能夠在高輸入（48V）和輸出（25V）電壓下工作，同時(shí)提供CICV調(diào)制功能。

2.7v超級(jí)電容充電電路圖（一）

超級(jí)電容充電器解決方案范例

為說明超級(jí)電容充電行為，我們以同步降壓穩(wěn)壓器為例。說明其關(guān)鍵問題和解決技術(shù)，并使用實(shí)驗(yàn)波形來幫助理解。

圖3.實(shí)現(xiàn)CICV超級(jí)電容充電控制的同步降壓穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化原理圖

圖3顯示了用Intersil的ISL78268控制的實(shí)現(xiàn)CICV模式的同步降壓穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化原理圖。為了在CICV控制下將超級(jí)電容組充電到25V，在選擇控制器時(shí)考慮了以下功能：

1.能在VIN》= 48V和VOUT》= 25V條件下工作的同步降壓控制器。

2.恒定電流和恒定電壓調(diào)節(jié)能力，可自動(dòng)切換調(diào)節(jié)模式。

3.在系統(tǒng)供電電壓范圍實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測(cè)輸入以實(shí)現(xiàn)CI模式。參考圖3，控制器可感測(cè)電感器的連續(xù)電流，即充電電流?？刂破鞯碾娏鞲袦y(cè)放大器必須能夠承受共模電壓，在本例中為25V。

圖4顯示了ISL78268同步降壓控制器的一小部分功能框圖。如圖所示，有兩個(gè)獨(dú)立的誤差放大器，分別標(biāo)記為Gm1和Gm2，用于實(shí)現(xiàn)恒定電壓（Gm1）和恒定電流（Gm2）。

誤差放大器Gm1用于CV閉環(huán)控制。它比較FB的反饋電壓與內(nèi)部1.6V參考電壓，并在COMP引腳產(chǎn)生誤差電壓。FB引腳從輸出電壓連接至一個(gè)電阻分壓器，并設(shè)置為當(dāng)輸出電壓為預(yù)期電壓水平時(shí)FB電壓為1.6V。于是COMP電壓即代表預(yù)期輸出電壓與實(shí)際輸出電壓之差。然后比較COMP與電感電流相比較，以生成PWM信號(hào)，來控制輸出電壓，使之保持恒定。

誤差放大器Gm2用于CI閉環(huán)控制。它比較IMON/DE引腳電壓與內(nèi)部1.6V參考電壓，并在COMP引腳產(chǎn)生誤差電壓。IMON/DE引腳電壓是內(nèi)部產(chǎn)生的，代表平均輸出電感電流負(fù)載值。因此，COMP電壓在Gm2回路激活時(shí)（Gm1和Gm2的輸出之間的二極管有效地選擇哪個(gè)回路是激活的）代表預(yù)期輸出電流與實(shí)際輸出電流之差。然后COMP與電感電流相比較，以生成PWM信號(hào)，來控制輸出電壓，使之保持恒定。

在超級(jí)電容電壓達(dá)到目標(biāo)電壓之前的充電階段，由Gm2的輸出來驅(qū)動(dòng)COMP引腳，產(chǎn)生PWM輸出，以實(shí)現(xiàn)CI控制。當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，充電電流減小，引起IMON/DE引腳電壓降低和CI回路斷開（當(dāng)IMON/DE《1.6V時(shí)），于是CV回路自然地接管對(duì)COMP的控制，從而保持輸出電壓恒定。

ISL78268降壓控制器既有峰值電流模式的PWM控制器（可靠的逐周期峰值電流調(diào)制器），也有非常適用于超級(jí)電容充電的外部恒定平均電流回路。

圖4.ISL78268 CICV回路簡(jiǎn)化框圖

現(xiàn)在，我們可以重點(diǎn)介紹已實(shí)現(xiàn)的超級(jí)電容充電實(shí)現(xiàn)方案。圖5、6和7顯示了由ISL78268控制，來為超級(jí)電容組（12節(jié)50F/2.7V串聯(lián)電容）充電的同步降壓控制器的實(shí)驗(yàn)波形。超級(jí)電容將通過主電源充電至25V。

圖5.超級(jí)電容充電的實(shí)驗(yàn)波形

圖5顯示超級(jí)電容充電有多個(gè)階段。開始時(shí)，在第1階段，Vo幾乎為0.ISL78268的IMON/DE引腳上的平均電流信號(hào)還未達(dá)到1.6V（期望充電電流的參考值），所以CI回路還未接通（engage）。在此階段，電感器的峰值電流被逐周期限制于固定的OC閾值。在VOUT處于低水平（FB《0.4V）的充電階段開始時(shí)，開關(guān)頻率最大值被限制在50kHz，以預(yù)防所提到的因?yàn)榈蚔OUT時(shí)的峰值電流限制而引起的電感器失控問題。

圖6顯示了第1階段的波形的放大圖。第2階段從IMON/DE引腳電壓（黃色跡線）達(dá)到1.6V時(shí)開始。在此階段，CI回路接通并拉低COMP信號(hào)（青色跡線），從而開始穩(wěn)定輸出電流并使IMON/DE引腳電壓保持恒定。IMON/DE引腳電壓代表所感測(cè)的平均輸出電流信號(hào)。IL波形（綠色跡線）顯示平均電流在第2階段被控制為恒定水平。輸出電壓波形（粉色跡線）顯示超級(jí)電容被恒定充電電流以線性方式充電。

圖6.超級(jí)電容充電第1階段的實(shí)驗(yàn)波形放大

第3階段從FB引腳檢測(cè)到0.4V電壓開始（圖7）。該觸發(fā)之后恒定電流穩(wěn)定回路將完全接通，所以開關(guān)頻率可自動(dòng)調(diào)節(jié)至預(yù)編程的300kHz.在更高的開關(guān)頻率下，電感電流紋波（綠色跡線）顯著減小。輸出電壓（粉色跡線）繼續(xù)呈線性增加，表示超級(jí)電容被線性充電。

圖7.超級(jí)電容充電的實(shí)驗(yàn)波形

回到圖5，第3階段一直到Vo達(dá)到25V的目標(biāo)電壓時(shí)結(jié)束。此時(shí)，CV回路接通并穩(wěn)定輸出電壓。平均電流回路斷開。圖5顯示輸出電壓（粉色跡線）趨平且電感電流降低。代表平均充電電流的IMON/DE引腳電流也下降，表示恒定電流穩(wěn)定過程結(jié)束。

2.7v超級(jí)電容充電電路圖（二）

超級(jí)電容作為電源給手機(jī)電池充電

用超級(jí)電容取代上面電路中的太陽(yáng)能板，使用的超級(jí)電容組為２００Ｆ，初始電壓為１０．８Ｖ．將電路輸出電壓調(diào)到５Ｖ，電流調(diào)節(jié)到１８０ｍＡ左右．由實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)電容放電１ｈ左右，電壓下降了１Ｖ，具有在晴天時(shí)電池板對(duì)手機(jī)電池的充電效果，具有隨時(shí)性，可以與太陽(yáng)能電池板結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)．

太陽(yáng)能板和超級(jí)電容綜合起來給電池充電

太陽(yáng)能板產(chǎn)生的電壓用第一個(gè)ＤＣＤＣ模塊穩(wěn)定在１０Ｖ左右，第二個(gè)ＤＣＤＣ模塊將電壓穩(wěn)定在５Ｖ，調(diào)節(jié)負(fù)載中的可調(diào)電阻將手機(jī)電池兩端電流穩(wěn)定在１８０ｍＡ．這樣產(chǎn)生的多余的電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，超級(jí)電容克服了一般蓄電池使用壽命不長(zhǎng)，充放電速度慢，不能迅速對(duì)光伏輸出電壓變化做出反應(yīng)，有一定的延時(shí)性的缺點(diǎn)．在白天光照充足的情況下，太陽(yáng)能電池給負(fù)載（手機(jī)電池）充電，當(dāng)光照不足時(shí)或者夜晚時(shí)，可以利用超級(jí)電容給負(fù)載供電。

2.7v超級(jí)電容充電電路圖（三）

　　本電路圖是關(guān)于36VIN、5.6A、兩節(jié)2.5V 串聯(lián)超級(jí)電容器充電器電路連接圖

　　LTM8026 是一款 36VIN、5A 恒定電壓、恒定電流 （CVCC） 降壓型 μModule? 穩(wěn)壓器。封裝中內(nèi)置了開關(guān)控制器、電源開關(guān)、電感器以及支持組件。LTM8026 可在一個(gè) 6V 至 36V 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，可支持 1.2V 至 24V 的輸出電壓范圍。CVCC 操作使 LTM8026 能在整個(gè)輸出范圍內(nèi)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)其高達(dá) 5A 的輸出電流。輸出電流可利用一個(gè)控制電壓、單個(gè)電阻器或一個(gè)熱敏電阻來設(shè)定。僅需采用負(fù)責(zé)設(shè)定輸出電壓和頻率的電阻器以及大容量的輸入和輸出濾波電容器便可實(shí)現(xiàn)完整的設(shè)計(jì)。