能源采集器為超級電容器充電的技術(shù)方案

導讀：超級電容器是自主供電系統(tǒng)中重要的蓄能機制。其蓄能能力強，支持高功率輸出，是超低功耗無線傳感器節(jié)點系統(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。這可導致每次系統(tǒng)從深度睡眠狀態(tài)恢復，都需要長時間等待至超級電容器充電至可用水平，其嚴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電路，以保護超級電容器以及后續(xù)的負載電子設(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)負載條件變化時，太陽能電池的穩(wěn)壓點也會隨之移動。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，因為太陽能電池的電壓調(diào)整在遠離其最大功率點的位置。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)進行充電。粉色線對應(yīng)的是太陽能電池輸出(VIN)，而藍色線則對應(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：

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行最大功率點跟蹤(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，導致VSTOR與VSUP之間存在0.3V的壓差。當VSTOR到達1.8V，即達到IC退出冷啟動模式的內(nèi)部閾值，器件就進入常規(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。當超級電容器達到使用電阻器ROV1與ROV2設(shè)定的過壓點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)建過壓保護電路的 IC 有助于保護超級電容器及負載電子設(shè)備。用戶可編程型VBAT_OK電平可用于向負載電路發(fā)出開關(guān)信號。而且，一旦器件進入常規(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?。這樣會嚴重延長充電時間。當超級電容器上的電壓到達大約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100mA負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。當超級電容器達到VOUT設(shè)置點1.8V時，充電器會將VSTOR抬高到過壓設(shè)置點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，ηCHG是當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，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，實現(xiàn)信息更為充分的系統(tǒng)管理。在實現(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)。