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導(dǎo)讀：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(jí)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(jí)電容器也可充電到太陽能電池的開路電壓。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。
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(jí)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(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(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)：
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，圖中只顯示了必用的引腳。電阻器ROV1與ROV2zjgztb.com用于設(shè)置超級(jí)電容器的過壓閾值。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)電容器過度放電。太陽能電池與引腳VIN_DC相連。
由于超級(jí)電容器在過長時(shí)間沒有采集能源輸入時(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太陽能電池(即51bayu.comISC=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)。
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)過程中，連接至VBAT引腳的超級(jí)電容器通過一個(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(jí)電容器達(dá)到使用電阻器ROV1與ROVlx780.com2設(shè)定的過壓點(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(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。
