導(dǎo)讀：超級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，是超低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的理想選擇。但超級電容器在低能源采集輸入期間會大量放電。

從初始充電階段到超級電容器達(dá)到額定電壓，用于為超級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)，都需要長時間等待至超級電容器充電至可用水平，其嚴(yán)重妨礙了超級電容器的廣泛應(yīng)用。本文將介紹與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，可將超級電容器充電速度加快超過20倍的方法。本文所介紹的解決方案采用太陽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。

簡單二極管充電器

通過太陽能電池為超級電容器充電的最簡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，超級電容器也可充電到太陽能電池的開路電壓。圖1是超級電容器在二極管幫助下充電的原理圖。大多數(shù)系統(tǒng)都需要一個輔助過壓保護(hù)電路，以保護(hù)超級電容器以及后續(xù)的負(fù)載電子設(shè)備。

圖1：使用二極管為超級電容器充電的原理圖。

這種解決方案的簡捷性使之常為低成本太陽能附件選用。但是這種方法有許多不足之處。首先，它只能用于多體太陽能電池，太陽能電池的開路電壓高于超級電容器的過壓限值或所需的負(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，該電路將太陽能電池穩(wěn)壓在蓄電介質(zhì)電壓以上的一個二極管壓降上。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，太陽能電池的穩(wěn)壓點(diǎn)也會隨之移動。對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)生明顯變化的超級電容器而言，這并非理想的解決方案，因?yàn)樘柲茈姵氐碾妷赫{(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)中所需的輔助過壓保護(hù)電路也會消耗靜態(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)勢在于其為徹底放電狀態(tài)的超級電容器充電所需的時間。圖2是120mF超級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太陽能電池從完全放電狀態(tài)進(jìn)行充電。粉色線對應(yīng)的是太陽能電池輸出(VIN)，而藍(lán)色線則對應(yīng)的是超級電容器的電壓(VSUP)。超級電容器從0V充電到1.8V耗時約為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電容器充電到 VX 電壓所需的時間可大致用等式1表達(dá)：

公式1

圖2：使用二極管為120mF超級電容器充電時所測得的波形。

使用1mA ISC將120mF超級電容器充電到1.8V，等式1計算出的時間是216秒，這與實(shí)際觀測到的時間很貼近。即便使用二極管充電器充電時間很短，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電容器充電的示意圖，為了清楚起見，圖中只顯示了必用的引腳。電阻器ROV1與ROV2用于設(shè)置超級電容器的過壓閾值。電阻器ROK1、ROK2與ROK3用于設(shè)置VBAT_OK信號的上下閾值，其可用于控制系統(tǒng)負(fù)載，以防超級電容器過度放電。太陽能電池與引腳VIN_DC相連。

圖3：使用升壓充電器IC為超級電容器充電的原理圖。

由于超級電容器在過長時間沒有采集能源輸入時，通常會一直放電到0V，因此系統(tǒng)需要從蓄能電容器完全放空的情況下啟動。大多數(shù)專用能源采集充電器IC都具有冷啟動特性，只要輸入電源電壓高于一定水平，就能啟動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太陽能電池(即ISC=1mA及VOC=2V)為處于完全放電狀態(tài)的120mF超級電容器充電的圖示。超級電容器從0V充電到1.8V，充電耗時大約為6000秒(1小時40分鐘)。

圖4：使用升壓充電器IC為120mF超級電容器充電所測得的波形。

在以上實(shí)例中，升壓充電器IC以冷啟動模式起動，此時VIN調(diào)節(jié)為接近330mV。在冷啟動過程中，連接至VBAT引腳的超級電容器通過一個內(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)到過壓條件之前的常規(guī)充電模式下，太陽能電池穩(wěn)壓在大約1.6V，接近其MPP。當(dāng)超級電容器達(dá)到使用電阻器ROV1與ROV2設(shè)定的過壓點(diǎn)4.2V時，充電結(jié)束。

使用升壓充電器IC為超級電容器充電的優(yōu)勢之一在于能夠使用單體或雙體太陽能電池，與多體太陽能電池相比，其可為相同的太陽能電池面積提供更大的平均電源。該款內(nèi)建過壓保護(hù)電路的 IC 有助于保護(hù)超級電容器及負(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。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能電池穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上，從而可從太陽能電池中提取最理想的電源。

使用這種方法為超級電容器充電的最大不足在于時間。超級電容器從完全放電狀態(tài)充電所需的時間非常漫長。由于在冷啟動過程中該器件的效率大約為7-10%，而且太陽能電池在冷啟動過程中的電壓調(diào)整在接近0.33V，因此傳輸?shù)匠夒娙萜鞯碾娫捶浅Ｎ⑷酢＿@樣會嚴(yán)重延長充電時間。當(dāng)超級電容器上的電壓到達(dá)大約1.8V時，該器件的效率就會明顯提高，可超過二極管充電解決方案。使用升壓充電器在冷啟動過程中將超級電容器充電至VX所需的時間可用等式2計算。

公式2

其中VCS是冷啟動電壓，ηCS是冷啟動過程中的充電器效率。使用1mA ISC將120mF超級電容器充電到1.8V，假定平均冷啟動效率是9%，等式2計算出的時間是6545秒。這個數(shù)值再一次與在實(shí)際測量過程中觀察到的數(shù)值極為接近。

只使用充電器IC為處于完全放電狀態(tài)的超級電容器充電的挑戰(zhàn)在于充電過程的大部分時間都在使用效率較低的充電器冷啟動特性。要克服這一問題，建議超級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設(shè)置超級電容器的過壓閾值RVO1與RVO2用于設(shè)置VBAT_OK電平的上下閾值，其可用來控制系統(tǒng)負(fù)載，防止超級電容器過度放電。太陽能電池還是連接至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電容器充電的原理圖。

整個系統(tǒng)與前文介紹的相似，只有超級電容器現(xiàn)在連接至降壓轉(zhuǎn)換器輸出端。這種方法的優(yōu)勢在于組合方案的充電器部分只需要在冷啟動過程中把較小的100?F電容器充電到1.8V以上。較大的超級電容器通過主充電器與降壓轉(zhuǎn)換器充電，其效率得到了明顯提高?，F(xiàn)在超級電容器的充電速度可大幅提升。

圖6是120mF超級電容器如何使用與之前相同的3S太陽能電池(即ISC=1mA及VOC=2V)從完全放電狀態(tài)進(jìn)行充電的視圖。超級電容器從0V充電到1.8V耗時約為220秒。這比單純使用充電器IC充電，速度加快了大約27倍。通過觀察圖6中的VIN線跡，可以發(fā)現(xiàn)bq25570幾乎全部時間都工作在常規(guī)充電模式下，而輸入也調(diào)整在太陽能電池的MPP附近。

圖6：用降壓轉(zhuǎn)換器輸出為 120mF 超級電容器充電所測得的波形。

在降壓轉(zhuǎn)換器輸出端為超級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。如果沒有該特性，當(dāng)啟用降壓轉(zhuǎn)換器為超級電容器充電時，較小的100?F電容器就會損壞。在超級電容器器充電過程中，VSTOR調(diào)整在大約2V。當(dāng)超級電容器達(dá)到VOUT設(shè)置點(diǎn)1.8V時，充電器會將VSTOR抬高到過壓設(shè)置點(diǎn)4.2V。將超級電容器充電到Vx所需的時間可用等式3計算。

公式3

等式中VMPP是太陽能電池的最大功率點(diǎn)，ηCHG是當(dāng)VSTOR處于UV閾值時常規(guī)充電器的效率，而ηBUCK則是超級電容器充電過程中降壓轉(zhuǎn)換器的平均效率。使用1mA ISC將120mF超級電容器充電至1.8V，假定充電器效率為85%，超級電容器充電過程中降壓轉(zhuǎn)換器的平均效率為70%，等式3的計算結(jié)果就是205秒。在超級電容器的電壓超過1.5V時，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優(yōu)點(diǎn)，那么其為完全放電狀態(tài)超級電容器充電所耗時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間比(等式4)：

公式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，我們可以看到對于太陽能電池(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)換器的非理想性會降低這一提速因數(shù)。

圖7是充電時間與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1mA ISC、3V VOC太陽能電池為120mF超級電容器充電的情況。圖7b是使用bq25570(欠壓電平設(shè)置為2V)為同一超級電容器充電的情況。當(dāng)VSTOR為2V時，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為超級電容器充電的速度就可超過二極管充電器。

圖7：使用二極管充電器與能源采集器的超級電容器充電時間比較。

結(jié)論

采用充電器與降壓轉(zhuǎn)換器組合方案為超級電容器充電，與現(xiàn)有方法相比可實(shí)現(xiàn)眾多優(yōu)勢。與現(xiàn)有升壓充電器IC相比，建議解決方案的充電時間得到了明顯縮短。與二極管充電器相比，建議方案不僅支持從單體、雙體太陽能電池以及熱電采集器充電，同時還可對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)建過壓功能與VBAT_OK閾值能夠根據(jù)超級電容器的電壓情況向用戶發(fā)出信號，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)勢的同時，還能提供比二極管充電器更快的充電速度。通過使用這些特性，可克服超級電容器使用過程中的一些重大限制性因素，從而可讓超級電容器更加普遍地應(yīng)用于自主供電系統(tǒng)。