【導(dǎo)讀】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(jì)工程師介紹了如何評(píng)估和選擇適合后備能量存儲(chǔ)應(yīng)用的最佳系統(tǒng)配置。文中介紹了一種超級(jí)電容充電器解決方案范例，并提供了波形和詳細(xì)解釋。
超級(jí)電容（Supercapacitor [SC] 或ultracapacitor）亦稱雙電層電容（electric double-layer capacitor），目前越來越廣泛地用于各種電源管理系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用（如具有再生制動(dòng)功能的起停系統(tǒng)）中，超級(jí)電容能夠提供使起動(dòng)器嚙合所需的能量，以重啟燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，并接收在制動(dòng)期間回收的動(dòng)能。超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)在于其充放電次數(shù)顯著多于傳統(tǒng)鉛酸電池，同時(shí)能夠更迅速地吸收能量而不減少其預(yù)期壽命。這些特點(diǎn)還使超級(jí)電容對(duì)工業(yè)后備電源系統(tǒng)、快速充電無繩電動(dòng)工具和遠(yuǎn)程傳感器具有吸引力，因?yàn)閷?duì)這些應(yīng)用來說，頻繁更換電池是不切實(shí)際的。
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(jì)工程師介紹了如何評(píng)估和選擇適合后備能量存儲(chǔ)應(yīng)用的最佳系統(tǒng)配置。文中介紹了一種超級(jí)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(jí)電容組作為后備能量存儲(chǔ)組件。一開始，設(shè)計(jì)工程師需要確定其能量存儲(chǔ)配置目標(biāo)，然后決定可用多大電壓來存儲(chǔ)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(jí)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(duì)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(shí)通過開關(guān)穩(wěn)壓器1（SW1）為超級(jí)電容組充電，使其電壓達(dá)到25V。當(dāng)主電源斷開時(shí)，超級(jí)電容組向SW2供電，以維持負(fù)載的連續(xù)運(yùn)行。
圖1.一種使用超級(jí)電容組的電池后備系統(tǒng)的框圖
系統(tǒng)設(shè)計(jì)和挑戰(zhàn)
選定超級(jí)電容后，系統(tǒng)工程師還必須選擇為超級(jí)電容充電的目標(biāo)電壓，其根據(jù)是超級(jí)電容的定額曲線。大多數(shù)超級(jí)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(shí)下降，隨之帶來更長(zhǎng)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(zhǎng)超級(jí)電容的工作壽命。
接下來需要選擇超級(jí)電容組的預(yù)期電壓和SW2拓?fù)洹３?jí)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?yàn)閱卧娙蓦妷侯~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(duì)電容單元配置和SW2的選項(xiàng)是，使用一個(gè)電容單元與一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，或串聯(lián)的多個(gè)電容單元與一個(gè)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(jí)電容放電時(shí)，電壓不會(huì)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(jí)電容充電電壓的一半之多，為此，我們舉一個(gè)由串聯(lián)超級(jí)電容組合和一個(gè)簡(jiǎn)單降壓穩(wěn)壓器（SW1）組成的超級(jí)電容組的例子。然后，如果能量要求需要的話，將并聯(lián)多個(gè)串聯(lián)電容串。
如果選擇超級(jí)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(jí)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(gè)2.7V 10F電容組成的電容串和由八個(gè)相同電容（串聯(lián)）組成的一個(gè)電容串。雖然兩種配置可存儲(chǔ)總電荷和能量是相同的，但電容串的可用電壓范圍使單個(gè)串聯(lián)串具有優(yōu)勢(shì)。例如，如果有一個(gè)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）。
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●電容中的能量W=CV^2/2，可用能量W= C/2(Vcharge^2 - Vdicharge^2)
●對(duì)于每串4個(gè)電容的兩個(gè)電容串，可用能量W = 2*[(10F/4)/2*((2.7V*4)^2-6V^2)] = 201.6J
●對(duì)于包含8個(gè)電容（串聯(lián)）的單個(gè)電容串，可用能量W = 1*[(10F/8)/2*((2.7V*8)^2-6V^2)] = 269.1J
因?yàn)閮蓚€(gè)電容組可存儲(chǔ)相同的總能量，所以電壓較低的電容串的充電浪費(fèi)/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(jí)電容。
第三個(gè)系統(tǒng)挑戰(zhàn)來自如何為超級(jí)電容組充電。一開始，當(dāng)超級(jí)電容電壓為0時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間。常規(guī) SW1 可能陷于打嗝模式而無法為超級(jí)電容充電。為了保護(hù)超級(jí)電容和 SW1，在充電階段開始時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)充電電流。
為超級(jí)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(shí)，充電器件（SW1）在恒定電流模式下工作，向超級(jí)電容提供恒定電流，使得其電壓呈線性增加。在超級(jí)電容充電至目標(biāo)電壓時(shí)，恒定電壓回路激活并準(zhǔn)確地控制超級(jí)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(duì)電源管理功能的要求，需要在設(shè)計(jì)中加以考慮。
圖2.CICV超級(jí)電容充電控制
再以圖1為例，在48V主電源、25V超級(jí)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(jí)電容充電有關(guān)，所以針對(duì)SW1的選擇非常重要。針對(duì)SW1的理想解決方案對(duì)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(shí)提供CICV調(diào)制功能。
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超級(jí)電容充電器解決方案范例
為說明超級(jí)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(shí)驗(yàn)波形來幫助理解。
圖3.實(shí)現(xiàn)CICV超級(jí)電容充電控制的同步降壓穩(wěn)壓器簡(jiǎn)化原理圖
圖3顯示了用Intersil的ISL78268控制的實(shí)現(xiàn)CICV模式的同步降壓穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化原理圖。為了在CICV控制下將超級(jí)電容組充電到25V，在選擇控制器時(shí)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(dòng)切換調(diào)節(jié)模式。
3. 在系統(tǒng)供電電壓范圍實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流感測(cè)輸入以實(shí)現(xiàn)CI模式。參考圖3，控制器可感測(cè)電感器的連續(xù)電流，即充電電流?？刂破鞯碾娏鞲袦y(cè)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(gè)獨(dú)立的誤差放大器，分別標(biāo)記為Gm1和Gm2，用于實(shí)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(gè)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(shí)FB電壓為1.6V。于是COMP電壓即代表預(yù)期輸出電壓與實(shí)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(hào)，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(shí)（Gm1和Gm2的輸出之間的二極管有效地選擇哪個(gè)回路是激活的）代表預(yù)期輸出電流與實(shí)際輸出電流之差。然后COMP與電感電流相比較，以生成PWM信號(hào)，來控制輸出電壓，使之保持恒定。
在超級(jí)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(dòng)COMP引腳，產(chǎn)生PWM輸出，以實(shí)現(xiàn)CI控制。當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，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(shí)），于是CV回路自然地接管對(duì)COMP的控制，從而保持輸出電壓恒定。
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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(jí)電容充電的外部恒定平均電流回路。
圖4.ISL78268 CICV回路簡(jiǎn)化框圖
現(xiàn)在，我們可以重點(diǎn)介紹已實(shí)現(xiàn)的超級(jí)電容充電實(shí)現(xiàn)方案。圖5、6和7顯示了由ISL78268控制，來為超級(jí)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(shí)驗(yàn)波形。超級(jí)電容將通過主電源充電至25V。
圖5.超級(jí)電容充電的實(shí)驗(yàn)波形
圖5顯示超級(jí)電容充電有多個(gè)階段。開始時(shí)，在第1階段，Vo幾乎為0。ISL78268的IMON/DE引腳上的平均電流信號(hào)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(shí)，開關(guān)頻率最大值被限制在50kHz，以預(yù)防所提到的因?yàn)榈蚔OUT時(shí)的峰值電流限制而引起的電感器失控問題。
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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(shí)開始。在此階段，CI回路接通并拉低COMP信號(hào)（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(cè)的平均輸出電流信號(hào)。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(jí)電容被恒定充電電流以線性方式充電。
圖6.超級(jí)電容充電第1階段的實(shí)驗(yàn)波形放大
第3階段從FB引腳檢測(cè)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(dòng)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(jí)電容被線性充電。
圖7.超級(jí)電容充電的實(shí)驗(yàn)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(shí)結(jié)束。此時(shí)，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。
結(jié)束語
超級(jí)電容由于其固有物理特征對(duì)比傳統(tǒng)電池具有的優(yōu)勢(shì)在汽車、工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品中被用作能量存儲(chǔ)解決方案。為使超級(jí)電容組的可存儲(chǔ)能量最大化，最佳方案常常是串聯(lián)多個(gè)超級(jí)電容單元來實(shí)現(xiàn)高電容組電壓。充電時(shí)，最好使用CICV方法來限制由于超級(jí)電容充電到恒定電壓期間的低ESR而產(chǎn)生的高電流。恒定電流還可以使充電損耗可控制，這可以減少所生成的熱量并延長(zhǎng)超級(jí)電容的壽命。因此，讓充電電路容忍高電壓并提供CICV控制功能是有益的。
