在嵌入式設(shè)計(jì)中用超級電容器取代化學(xué)電池存儲

　　在某些應(yīng)用中，超級電容器正在成為電池儲能的可能替代品。然而，超級電容器提供的主要優(yōu)點(diǎn)必須與一些顯著的缺點(diǎn)相平衡。

　　從好的方面來說，超級電容器的壽命幾乎無限，約為 10，000，000 次充電/放電循環(huán)，并且可以以超過 1，000 安培的驚人電流進(jìn)行充電和放電。它們在很大程度上也不受溫度變化的影響。然而，它們在能量密度或成本方面無法與電池競爭：超級電容器通常只能提供鋰離子電池能量密度的 3-5%，而成本卻高出 10 至 15 倍。

　　然而，在某些應(yīng)用中，其優(yōu)勢甚至超過了這些限制。但超級電容器在如何充電和回收能量方面也面臨著兩個重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。充電時，面臨的挑戰(zhàn)是在電容器完全放電時將能量轉(zhuǎn)移到電容器（實(shí)際上呈現(xiàn)短路），而隨著電容器的使用，回收能量也變得越來越困難。電壓接近0V?？朔@兩個挑戰(zhàn)是有效使用超級電容器替代電池存儲的主要障礙。

　　圖1：基于SMPS的恒流充電器

　　充電挑戰(zhàn)

　　線性充電器在給完全放電的電容器充電時會消耗很大一部分能量。然后，當(dāng)電容器充電時，損失的能量比例較小，更多的能量進(jìn)入電容器。加上電容器吸收的功率和充電器中消耗的功率，在整個充電周期中，充電器實(shí)際上會以熱量的形式消耗一半以上的可用能量。事實(shí)上，線性充電器將近 58% 的可用充電能量以熱量的形式丟棄。

　　另一種充電選擇是使用基于開關(guān)模式電源 （SMPS） 的系統(tǒng)，其中輸出電容器電壓和源電壓之間的差通過電感器下降。在電壓調(diào)節(jié) SMPS 設(shè)計(jì)中（上圖 1），電感器電流由輸出電容器兩端的電壓與固定參考電壓之間的差值驅(qū)動。然后，該差值電壓被放大、積分和相移，然后反饋到脈寬調(diào)制 （PWM） 比較器。

　　然后，PWM 比較器使用該電壓來確定在下一個周期中流過電感器的電流量。通常，通過精心設(shè)計(jì)，SMPS 電路可以實(shí)現(xiàn)大于 80-90% 的轉(zhuǎn)換效率。

　　在充電器電路中，在恒定輸出電壓下運(yùn)行的時間非常少。根據(jù)定義，充電器電路設(shè)計(jì)為在將電容器電壓從零升至終電壓的同時完成大部分工作。正是在充電期間，需要優(yōu)化能量傳輸。

　　充電電路需要一個能夠獨(dú)立于輸出電壓調(diào)節(jié)電容器充電電流的系統(tǒng)，并且僅使用電壓反饋?zhàn)鳛榇_定充電何時完成的手段。圖 1 顯示了如何使用典型 SMPS 設(shè)計(jì)的變化來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這里，通過將電感器中的電流與兩個固定水平進(jìn)行比較來調(diào)節(jié)電感器中的電流；一個處于所需電流，另一個處于電流。

　　初，由于電感器兩端的電壓處于值，因此電感器從電流上升到電流所需的時間非常短。放電時間會相應(yīng)更長，因?yàn)殡姼斜仨毞烹姷较鄬^小的電壓。然而，隨著電容器中的電荷增加，電壓差將下降，從而增加斜坡上升時間，并且電容器電壓將上升，從而縮短放電時間。

　　雖然可以使用傳統(tǒng)的時基驅(qū)動 PWM 來實(shí)現(xiàn)類似的功能，但電感器的選擇對于維持電流水平至關(guān)重要。此外，當(dāng)占空比大于 50% 時，可能會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。避免這種不穩(wěn)定的一個簡單解決方案是使用松弛振蕩器、555Timer 式系統(tǒng)，使用兩個比較器和一個 SR 觸發(fā)器，以便電感器組件值設(shè)置頻率。