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作者：TI公司Yogesh Ramadass 超級(jí)電容器是自主供電系統(tǒng)中重要的蓄能機(jī)制。其蓄能能力強(qiáng)，支持高功率輸出，是超低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的理想選擇。但超級(jí)電容器在低能源采集輸入期間會(huì)大量放電。從初始充電階段到超級(jí)電容器達(dá)到額定電壓，用于為超級(jí)電容器充電的能源采集 IC 都處于低效率階段。這可導(dǎo)致每次系統(tǒng)從深度睡眠狀態(tài)恢復(fù)，都需要長(zhǎng)時(shí)間等待至超級(jí)電容器充電至可用水平，其嚴(yán)重妨礙了超級(jí)電容器的廣泛應(yīng)用。本文將介紹與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，可將超級(jí)電容器充電速度加快超過(guò)20倍的方法。本文所介紹的解決方案采用太陽(yáng)能電池作為能源采集器。這些解決方案也可用于其它能源采集應(yīng)用。 簡(jiǎn)單二極管充電器 通過(guò)太陽(yáng)能電池為超級(jí)電容器充電的最簡(jiǎn)單方法是使用二極管。在普通光照條件下，即使考慮到二極管造成的損耗，超級(jí)電容器也可充電到太陽(yáng)能電池的開路電壓。圖1是超級(jí)電容器在二極管幫助下充電的原理圖。大多數(shù)系統(tǒng)都需要一個(gè)輔助過(guò)壓保護(hù)電路，以保護(hù)超級(jí)電容器以及后續(xù)的負(fù)載電子設(shè)備。 
圖1：使用二極管為超級(jí)電容器充電的原理圖。 這種解決方案的簡(jiǎn)捷性使之常為低成本太陽(yáng)能附件選用。但是這種方法有許多不足之處。首先，它只能用于多體太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池的開路電壓高于超級(jí)電容器的過(guò)壓限值或所需的負(fù)載電壓。輸出低電壓的熱電采集器不能使用這種方法為蓄能元件充電。 另外，該電路將太陽(yáng)能電池穩(wěn)壓在蓄電介質(zhì)電壓以上的一個(gè)二極管壓降上。這就意味著蓄電介質(zhì)上的電壓根據(jù)負(fù)載條件變化時(shí)，太陽(yáng)能電池的穩(wěn)壓點(diǎn)也會(huì)隨之移動(dòng)。對(duì)于具有寬泛放電曲線的蓄電池或者電壓可隨負(fù)載需求發(fā)生明顯變化的超級(jí)電容器而言，這并非理想的解決方案，因?yàn)樘?yáng)能電池的電壓調(diào)整在遠(yuǎn)離其最大功率點(diǎn)的位置。大多數(shù)低功耗電子系統(tǒng)中所需的輔助過(guò)壓保護(hù)電路也會(huì)消耗靜態(tài)電流，其可在低光照期間影響系統(tǒng)效率。 二極管充電器的主要優(yōu)勢(shì)在于其為徹底放電狀態(tài)的超級(jí)電容器充電所需的時(shí)間。圖2是120mF超級(jí)電容器如何采用支持ISC=1mA短路電流以及VOC=2V開路電壓的3S太陽(yáng)能電池從完全放電狀態(tài)進(jìn)行充電。粉色線對(duì)應(yīng)的是太陽(yáng)能電池輸出(VIN)，而藍(lán)色線則對(duì)應(yīng)的是超級(jí)電容器的電壓(VSUP)。超級(jí)電容器從0V充電到1.8V耗時(shí)約為205秒。VIN與VSUP之間的差異即為二極管上的壓差。使用二極管充電器為超級(jí)電容器充電到 VX 電壓所需的時(shí)間可大致用等式1表達(dá)：
圖2：使用二極管為120mF超級(jí)電容器充電時(shí)所測(cè)得的波形。 使用1mA ISC將120mF超級(jí)電容器充電到1.8V，等式1計(jì)算出的時(shí)間是216秒，這與實(shí)際觀測(cè)到的時(shí)間很貼近。即便使用二極管充電器充電時(shí)間很短，上面提到的不足也導(dǎo)致了這種解決方案未能廣泛應(yīng)用于各種能源采集系統(tǒng)。 二極管充電的不足可使用專門用于與能源采集設(shè)備配套使用的集成電路克服。這類器件之一即為bq25504。這是一款超低靜態(tài)電流充電器IC，可對(duì)所連接的能源采集器進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。圖3是如何使用該器件為超級(jí)電容器充電的示意圖，為了清楚起見(jiàn)，圖中只顯示了必用的引腳。電阻器ROV1與ROV2用于設(shè)置超級(jí)電容器的過(guò)壓閾值。電阻器ROK1、ROK2與ROK3用于設(shè)置VBAT_OK信號(hào)的上下閾值，其可用于控制系統(tǒng)負(fù)載，以防超級(jí)電容器過(guò)度放電。太陽(yáng)能電池與引腳VIN_DC相連。
圖3：使用升壓充電器IC為超級(jí)電容器充電的原理圖。 由于超級(jí)電容器在過(guò)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有采集能源輸入時(shí)，通常會(huì)一直放電到0V，因此系統(tǒng)需要從蓄能電容器完全放空的情況下啟動(dòng)。大多數(shù)專用能源采集充電器IC都具有冷啟動(dòng)特性，只要輸入電源電壓高于一定水平，就能啟動(dòng)為處于完全放電狀態(tài)的蓄能元件充電。本例中電壓值為330mV。 圖4是使用與之前相同的3S太陽(yáng)能電池(即ISC=1mA及VOC=2V)為處于完全放電狀態(tài)的120mF超級(jí)電容器充電的圖示。超級(jí)電容器從0V充電到1.8V，充電耗時(shí)大約為6000秒(1小時(shí)40分鐘)。
圖4：使用升壓充電器IC為120mF超級(jí)電容器充電所測(cè)得的波形。 在以上實(shí)例中，升壓充電器IC以冷啟動(dòng)模式起動(dòng)，此時(shí)VIN調(diào)節(jié)為接近330mV。在冷啟動(dòng)過(guò)程中，連接至VBAT引腳的超級(jí)電容器通過(guò)一個(gè)內(nèi)部二極管從VSTOR充電，導(dǎo)致VSTOR與VSUP之間存在0.3V的壓差。當(dāng)VSTOR到達(dá)1.8V，即達(dá)到IC退出冷啟動(dòng)模式的內(nèi)部閾值，器件就進(jìn)入常規(guī)充電模式，充電效率顯著提高。這可從充電曲線的坡度突變觀察到。在達(dá)到過(guò)壓條件之前的常規(guī)充電模式下，太陽(yáng)能電池穩(wěn)壓在大約1.6V，接近其MPP。當(dāng)超級(jí)電容器達(dá)到使用電阻器ROV1與ROV2設(shè)定的過(guò)壓點(diǎn)4.2V時(shí)，充電結(jié)束。 使用升壓充電器IC為超級(jí)電容器充電的優(yōu)勢(shì)之一在于能夠使用單體或雙體太陽(yáng)能電池，與多體太陽(yáng)能電池相比，其可為相同的太陽(yáng)能電池面積提供更大的平均電源。該款內(nèi)建過(guò)壓保護(hù)電路的 IC 有助于保護(hù)超級(jí)電容器及負(fù)載電子設(shè)備。用戶可編程型VBAT_OK電平可用于向負(fù)載電路發(fā)出開關(guān)信號(hào)。而且，一旦器件進(jìn)入常規(guī)充電器模式，該IC的MPPT功能便可幫助將太陽(yáng)能電池穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上，從而可從太陽(yáng)能電池中提取最理想的電源。 使用這種方法為超級(jí)電容器充電的最大不足在于時(shí)間。超級(jí)電容器從完全放電狀態(tài)充電所需的時(shí)間非常漫長(zhǎng)。由于在冷啟動(dòng)過(guò)程中該器件的效率大約為7-10%，而且太陽(yáng)能電池在冷啟動(dòng)過(guò)程中的電壓調(diào)整在接近0.33V，因此傳輸?shù)匠?jí)電容器的電源非常微弱。這樣會(huì)嚴(yán)重延長(zhǎng)充電時(shí)間。當(dāng)超級(jí)電容器上的電壓到達(dá)大約1.8V時(shí)，該器件的效率就會(huì)明顯提高，可超過(guò)二極管充電解決方案。使用升壓充電器在冷啟動(dòng)過(guò)程中將超級(jí)電容器充電至VX所需的時(shí)間可用等式2計(jì)算。
其中VCS是冷啟動(dòng)電壓，ηCS是冷啟動(dòng)過(guò)程中的充電器效率。使用1mA ISC將120mF超級(jí)電容器充電到1.8V，假定平均冷啟動(dòng)效率是9%，等式2計(jì)算出的時(shí)間是6545秒。這個(gè)數(shù)值再一次與在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中觀察到的數(shù)值極為接近。 只使用充電器IC為處于完全放電狀態(tài)的超級(jí)電容器充電的挑戰(zhàn)在于充電過(guò)程的大部分時(shí)間都在使用效率較低的充電器冷啟動(dòng)特性。要克服這一問(wèn)題，建議超級(jí)電容器充電采用充電器與降壓轉(zhuǎn)換器的組合方案。 圖5就是這樣一個(gè)使用bq25570超低靜態(tài)電流充電器和降壓轉(zhuǎn)換器IC的實(shí)施方案。它不僅整合了上述升壓充電器IC中的全部充電功能，而且還具有支持高達(dá)100mA負(fù)載電流的集成型高效率降壓轉(zhuǎn)換器。電阻器RVO1與RVO2通常用于設(shè)置降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。但在本例中，由于超級(jí)電容器連接在降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，因此相同的電阻器可用來(lái)設(shè)置超級(jí)電容器的過(guò)壓閾值RVO1與RVO2用于設(shè)置VBAT_OK電平的上下閾值，其可用來(lái)控制系統(tǒng)負(fù)載，防止超級(jí)電容器過(guò)度放電。太陽(yáng)能電池還是連接至VIN_DC引腳。
圖5：使用充電器及降壓轉(zhuǎn)換器組合方案為超級(jí)電容器充電的原理圖。 整個(gè)系統(tǒng)與前文介紹的相似，只有超級(jí)電容器現(xiàn)在連接至降壓轉(zhuǎn)換器輸出端。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于組合方案的充電器部分只需要在冷啟動(dòng)過(guò)程中把較小的100?F電容器充電到1.8V以上。較大的超級(jí)電容器通過(guò)主充電器與降壓轉(zhuǎn)換器充電，其效率得到了明顯提高。現(xiàn)在超級(jí)電容器的充電速度可大幅提升。 圖6是120mF超級(jí)電容器如何使用與之前相同的3S太陽(yáng)能電池(即ISC=1mA及VOC=2V)從完全放電狀態(tài)進(jìn)行充電的視圖。超級(jí)電容器從0V充電到1.8V耗時(shí)約為220秒。這比單純使用充電器IC充電，速度加快了大約27倍。通過(guò)觀察圖6中的VIN線跡，可以發(fā)現(xiàn)bq25570幾乎全部時(shí)間都工作在常規(guī)充電模式下，而輸入也調(diào)整在太陽(yáng)能電池的MPP附近。
圖6：用降壓轉(zhuǎn)換器輸出為 120mF 超級(jí)電容器充電所測(cè)得的波形。 在降壓轉(zhuǎn)換器輸出端為超級(jí)電容器充電的主要使能因素是降壓轉(zhuǎn)換器中的持續(xù)欠壓保護(hù)特性。這可持續(xù)監(jiān)控VSTOR上的UV閾值，一旦VSTOR上的電壓降至低于2V閾值便禁用降壓轉(zhuǎn)換器。如果沒(méi)有該特性，當(dāng)啟用降壓轉(zhuǎn)換器為超級(jí)電容器充電時(shí)，較小的100?F電容器就會(huì)損壞。在超級(jí)電容器器充電過(guò)程中，VSTOR調(diào)整在大約2V。當(dāng)超級(jí)電容器達(dá)到VOUT設(shè)置點(diǎn)1.8V時(shí)，充電器會(huì)將VSTOR抬高到過(guò)壓設(shè)置點(diǎn)4.2V。將超級(jí)電容器充電到Vx所需的時(shí)間可用等式3計(jì)算。
等式中VMPP是太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)，ηCHG是當(dāng)VSTOR處于UV閾值時(shí)常規(guī)充電器的效率，而ηBUCK則是超級(jí)電容器充電過(guò)程中降壓轉(zhuǎn)換器的平均效率。使用1mA ISC將120mF超級(jí)電容器充電至1.8V，假定充電器效率為85%，超級(jí)電容器充電過(guò)程中降壓轉(zhuǎn)換器的平均效率為70%，等式3的計(jì)算結(jié)果就是205秒。在超級(jí)電容器的電壓超過(guò)1.5V時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器的效率可提升至大約90%。 采用充電器與降壓轉(zhuǎn)換器的組合方案充電具有純充電器方案的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，那么其為完全放電狀態(tài)超級(jí)電容器充電所耗時(shí)間與使用二極管充電相比，是否仍可勝出一籌呢？用等式3除以等式1，我們可以得出充電時(shí)間比(等式4)：
假定使用一款理想的二極管和一款100%效率的充電器及降壓轉(zhuǎn)換器，我們可以看到對(duì)于太陽(yáng)能電池(其MPP為OCV的80%)而言，比值為1/1.6或0.625。因此在理想條件下，充電器+降壓轉(zhuǎn)換器組合方案的速度應(yīng)該比二極管充電器快1.6倍。但充電器及降壓轉(zhuǎn)換器的非理想性會(huì)降低這一提速因數(shù)。 圖7是充電時(shí)間與bq25570中充電器及降壓轉(zhuǎn)換器效率之間的依賴性。圖7a是在二極管充電器的幫助下通過(guò)1mA ISC、3V VOC太陽(yáng)能電池為120mF超級(jí)電容器充電的情況。圖7b是使用bq25570(欠壓電平設(shè)置為2V)為同一超級(jí)電容器充電的情況。當(dāng)VSTOR為2V時(shí)，充電器與降壓轉(zhuǎn)換器的效率較低。因此我們可以看到二極管充電器速度稍快。要縮短充電時(shí)間，可如圖7c所示，將內(nèi)部欠壓電平設(shè)置改為2.7V，其可提升充電器與降壓轉(zhuǎn)換器的效率。這樣bq25570為超級(jí)電容器充電的速度就可超過(guò)二極管充電器。
圖7：使用二極管充電器與能源采集器的超級(jí)電容器充電時(shí)間比較。 結(jié)論 采用充電器與降壓轉(zhuǎn)換器組合方案為超級(jí)電容器充電，與現(xiàn)有方法相比可實(shí)現(xiàn)眾多優(yōu)勢(shì)。與現(xiàn)有升壓充電器IC相比，建議解決方案的充電時(shí)間得到了明顯縮短。與二極管充電器相比，建議方案不僅支持從單體、雙體太陽(yáng)能電池以及熱電采集器充電，同時(shí)還可對(duì)所連接的能源采集器執(zhí)行MPPT。這有助于在普通工作條件下從能源采集器提取更多的電源。內(nèi)建過(guò)壓功能與VBAT_OK閾值能夠根據(jù)超級(jí)電容器的電壓情況向用戶發(fā)出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息更為充分的系統(tǒng)管理。在實(shí)現(xiàn)這些種種優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還能提供比二極管充電器更快的充電速度。通過(guò)使用這些特性，可克服超級(jí)電容器使用過(guò)程中的一些重大限制性因素，從而可讓超級(jí)電容器更加普遍地應(yīng)用于自主供電系統(tǒng)。 |
