2.7v超級電容充電電路圖大全（三款模擬電路設(shè)計原理圖詳解）

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)計工程師介紹了如何評估和選擇適合后備能量存儲應(yīng)用的最佳系統(tǒng)配置。文中介紹了一種超級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)配置都使用超級電容組作為后備能量存儲組件。一開始，設(shè)計工程師需要確定其能量存儲配置目標(biāo)，然后決定可用多大電壓來存儲能量。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，同時通過開關(guān)穩(wěn)壓器1（SW1）為超級電容組充電，使其電壓達(dá)到25V。當(dāng)主電源斷開時，超級電容組向SW2供電，以維持負(fù)載的連續(xù)運行。

圖1.一種使用超級電容組的電池后備系統(tǒng)的框圖

選定超級電容后，系統(tǒng)工程師還必須選擇為超級電容充電的目標(biāo)電壓，其根據(jù)是超級電容的定額曲線。大多數(shù)超級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下降，隨之帶來更長的預(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，以延長超級電容的工作壽命。

接下來需要選擇超級電容組的預(yù)期電壓和SW2拓?fù)?。超級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。因為單元電容電壓額定值通常低于3.3V，且負(fù)載常常需要相等或更高的供電電壓，所以針對電容單元配置和SW2的選項是，使用一個電容單元與一個升壓轉(zhuǎn)換器，或串聯(lián)的多個電容單元與一個降壓或降壓-升壓穩(wěn)壓器。若使用升壓配置，我們必須確保在超級電容放電時，電壓不會下降至低于SW2的最小工作輸入電壓。該電壓下降可能多達(dá)超級電容充電電壓的一半之多，為此，我們舉一個由串聯(lián)超級電容組合和一個簡單降壓穩(wěn)壓器（SW1）組成的超級電容組的例子。然后，如果能量要求需要的話，將并聯(lián)多個串聯(lián)電容串。

如果選擇超級電容的串聯(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2.7V 10F電容組成的電容串和由八個相同電容（串聯(lián)）組成的一個電容串。雖然兩種配置可存儲總電荷和能量是相同的，但電容串的可用電壓范圍使單個串聯(lián)串具有優(yōu)勢。例如，如果有一個需要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）

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

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

因為兩個電容組可存儲相同的總能量，所以電壓較低的電容串的充電浪費/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，以充分利用超級電容。

第三個系統(tǒng)挑戰(zhàn)來自如何為超級電容組充電。一開始，當(dāng)超級電容電壓為0時，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)長時間。常規(guī) SW1 可能陷于打嗝模式而無法為超級電容充電。為了保護(hù)超級電容和 SW1，在充電階段開始時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時間的連續(xù)充電電流。

為超級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，充電器件（SW1）在恒定電流模式下工作，向超級電容提供恒定電流，使得其電壓呈線性增加。在超級電容充電至目標(biāo)電壓時，恒定電壓回路激活并準(zhǔn)確地控制超級電容充電電平，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電源管理功能的要求，需要在設(shè)計中加以考慮。

圖2.CICV超級電容充電控制

再以圖1為例，在48V主電源、25V超級電容組電壓以及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)與超級電容充電有關(guān)，所以針對SW1的選擇非常重要。針對SW1的理想解決方案對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，同時提供CICV調(diào)制功能。

2.7v超級電容充電電路圖（一）

超級電容充電器解決方案范例

為說明超級電容充電行為，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)，并使用實驗波形來幫助理解。

圖3.實現(xiàn)CICV超級電容充電控制的同步降壓穩(wěn)壓器簡化原理圖

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

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，可自動切換調(diào)節(jié)模式。

3.在系統(tǒng)供電電壓范圍實現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測輸入以實現(xiàn)CI模式。參考圖3，控制器可感測電感器的連續(xù)電流，即充電電流。控制器的電流感測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，有兩個獨立的誤差放大器，分別標(biāo)記為Gm1和Gm2，用于實現(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FB電壓為1.6V。于是COMP電壓即代表預(yù)期輸出電壓與實際輸出電壓之差。然后比較COMP與電感電流相比較，以生成PWM信號，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（Gm1和Gm2的輸出之間的二極管有效地選擇哪個回路是激活的）代表預(yù)期輸出電流與實際輸出電流之差。然后COMP與電感電流相比較，以生成PWM信號，來控制輸出電壓，使之保持恒定。

在超級電容電壓達(dá)到目標(biāo)電壓之前的充電階段，由Gm2的輸出來驅(qū)動COMP引腳，產(chǎn)生PWM輸出，以實現(xiàn)CI控制。當(dāng)超級電容電壓達(dá)到目標(biāo)值時，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），于是CV回路自然地接管對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電容充電的外部恒定平均電流回路。

圖4.ISL78268 CICV回路簡化框圖

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

圖5.超級電容充電的實驗波形

圖5顯示超級電容充電有多個階段。開始時，在第1階段，Vo幾乎為0.ISL78268的IMON/DE引腳上的平均電流信號還未達(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，開關(guān)頻率最大值被限制在50kHz，以預(yù)防所提到的因為低VOUT時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時開始。在此階段，CI回路接通并拉低COMP信號（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的平均輸出電流信號。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）顯示超級電容被恒定充電電流以線性方式充電。

圖6.超級電容充電第1階段的實驗波形放大

第3階段從FB引腳檢測到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，表示超級電容被線性充電。

圖7.超級電容充電的實驗波形

回到圖5，第3階段一直到Vo達(dá)到25V的目標(biāo)電壓時結(jié)束。此時，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超級電容充電電路圖（二）

超級電容作為電源給手機電池充電

用超級電容取代上面電路中的太陽能板，使用的超級電容組為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．由實驗可以發(fā)現(xiàn)電容放電１ｈ左右，電壓下降了１Ｖ，具有在晴天時電池板對手機電池的充電效果，具有隨時性，可以與太陽能電池板結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補．

太陽能板和超級電容綜合起來給電池充電

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

2.7v超級電容充電電路圖（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 6V 至 36V 的輸入電壓范圍內(nèi)運作，可支持 1.2V 至 24V 的輸出電壓范圍。CVCC 操作使 LTM8026 能在整個輸出范圍內(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控制電壓、單個電阻器或一個熱敏電阻來設(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現(xiàn)完整的設(shè)計。