通过能源采集器为超级电容器快速充电

作者：TI公司Yogesh Ramadass

超级电容器是自主供电系统中重要的蓄能机制。其蓄能能力强，支持高功率输出，是超低功耗无线传感器节点系统的理想选择。但超级电容器在低能源采集输入期间会大量放电。从初始充电阶段到超级电容器达到额定电压，用于为超级电容器充电的能源采集 IC 都处于低效率阶段。这可导致每次系统从深度睡眠状态恢复，都需要长时间等待至超级电容器充电至可用水平，其严重妨碍了超级电容器的广泛应用。本文将介绍与现有系统相比，可将超级电容器充电速度加快超过20倍的方法。本文所介绍的解决方案采用太阳能电池作为能源采集器。这些解决方案也可用于其它能源采集应用。

简单二极管充电器

通过太阳能电池为超级电容器充电的最简单方法是使用二极管。在普通光照条件下，即使考虑到二极管造成的损耗，超级电容器也可充电到太阳能电池的开路电压。图1是超级电容器在二极管帮助下充电的原理图。大多数系统都需要一个辅助过压保护电路，以保护超级电容器以及后续的负载电子设备。


图1：使用二极管为超级电容器充电的原理图。

这种解决方案的简捷性使之常为低成本太阳能附件选用。但是这种方法有许多不足之处。首先，它只能用于多体太阳能电池，太阳能电池的开路电压高于超级电容器的过压限值或所需的负载电压。输出低电压的热电采集器不能使用这种方法为蓄能元件充电。

另外，该电路将太阳能电池稳压在蓄电介质电压以上的一个二极管压降上。这就意味着蓄电介质上的电压根据负载条件变化时，太阳能电池的稳压点也会随之移动。对于具有宽泛放电曲线的蓄电池或者电压可随负载需求发生明显变化的超级电容器而言，这并非理想的解决方案，因为太阳能电池的电压调整在远离其最大功率点的位置。大多数低功耗电子系统中所需的辅助过压保护电路也会消耗静态电流，其可在低光照期间影响系统效率。

二极管充电器的主要优势在于其为彻底放电状态的超级电容器充电所需的时间。图2是120mF超级电容器如何采用支持ISC=1mA短路电流以及VOC=2V开路电压的3S太阳能电池从完全放电状态进行充电。粉色线对应的是太阳能电池输出(VIN)，而蓝色线则对应的是超级电容器的电压(VSUP)。超级电容器从0V充电到1.8V耗时约为205秒。VIN与VSUP之间的差异即为二极管上的压差。使用二极管充电器为超级电容器充电到 VX 电压所需的时间可大致用等式1表达：




图2：使用二极管为120mF超级电容器充电时所测得的波形。

使用1mA ISC将120mF超级电容器充电到1.8V，等式1计算出的时间是216秒，这与实际观测到的时间很贴近。即便使用二极管充电器充电时间很短，上面提到的不足也导致了这种解决方案未能广泛应用于各种能源采集系统。

二极管充电的不足可使用专门用于与能源采集设备配套使用的集成电路克服。这类器件之一即为bq25504。这是一款超低静态电流充电器IC，可对所连接的能源采集器进行最大功率点跟踪(MPPT)。图3是如何使用该器件为超级电容器充电的示意图，为了清楚起见，图中只显示了必用的引脚。电阻器ROV1与ROV2用于设置超级电容器的过压阈值。电阻器ROK1、ROK2与ROK3用于设置VBAT_OK信号的上下阈值，其可用于控制系统负载，以防超级电容器过度放电。太阳能电池与引脚VIN_DC相连。


图3：使用升压充电器IC为超级电容器充电的原理图。

由于超级电容器在过长时间没有采集能源输入时，通常会一直放电到0V，因此系统需要从蓄能电容器完全放空的情况下启动。大多数专用能源采集充电器IC都具有冷启动特性，只要输入电源电压高于一定水平，就能启动为处于完全放电状态的蓄能元件充电。本例中电压值为330mV。

图4是使用与之前相同的3S太阳能电池(即ISC=1mA及VOC=2V)为处于完全放电状态的120mF超级电容器充电的图示。超级电容器从0V充电到1.8V，充电耗时大约为6000秒(1小时40分钟)。


图4：使用升压充电器IC为120mF超级电容器充电所测得的波形。

在以上实例中，升压充电器IC以冷启动模式起动，此时VIN调节为接近330mV。在冷启动过程中，连接至VBAT引脚的超级电容器通过一个内部二极管从VSTOR充电，导致VSTOR与VSUP之间存在0.3V的压差。当VSTOR到达1.8V，即达到IC退出冷启动模式的内部阈值，器件就进入常规充电模式，充电效率显著提高。这可从充电曲线的坡度突变观察到。在达到过压条件之前的常规充电模式下，太阳能电池稳压在大约1.6V，接近其MPP。当超级电容器达到使用电阻器ROV1与ROV2设定的过压点4.2V时，充电结束。

使用升压充电器IC为超级电容器充电的优势之一在于能够使用单体或双体太阳能电池，与多体太阳能电池相比，其可为相同的太阳能电池面积提供更大的平均电源。该款内建过压保护电路的 IC 有助于保护超级电容器及负载电子设备。用户可编程型VBAT_OK电平可用于向负载电路发出开关信号。而且，一旦器件进入常规充电器模式，该IC的MPPT功能便可帮助将太阳能电池稳定在最大功率点上，从而可从太阳能电池中提取最理想的电源。

使用这种方法为超级电容器充电的最大不足在于时间。超级电容器从完全放电状态充电所需的时间非常漫长。由于在冷启动过程中该器件的效率大约为7-10%，而且太阳能电池在冷启动过程中的电压调整在接近0.33V，因此传输到超级电容器的电源非常微弱。这样会严重延长充电时间。当超级电容器上的电压到达大约1.8V时，该器件的效率就会明显提高，可超过二极管充电解决方案。使用升压充电器在冷启动过程中将超级电容器充电至VX所需的时间可用等式2计算。



其中VCS是冷启动电压，ηCS是冷启动过程中的充电器效率。使用1mA ISC将120mF超级电容器充电到1.8V，假定平均冷启动效率是9%，等式2计算出的时间是6545秒。这个数值再一次与在实际测量过程中观察到的数值极为接近。

只使用充电器IC为处于完全放电状态的超级电容器充电的挑战在于充电过程的大部分时间都在使用效率较低的充电器冷启动特性。要克服这一问题，建议超级电容器充电采用充电器与降压转换器的组合方案。

图5就是这样一个使用bq25570超低静态电流充电器和降压转换器IC的实施方案。它不仅整合了上述升压充电器IC中的全部充电功能，而且还具有支持高达100mA负载电流的集成型高效率降压转换器。电阻器RVO1与RVO2通常用于设置降压转换器的输出电压。但在本例中，由于超级电容器连接在降压转换器的输出端，因此相同的电阻器可用来设置超级电容器的过压阈值RVO1与RVO2用于设置VBAT_OK电平的上下阈值，其可用来控制系统负载，防止超级电容器过度放电。太阳能电池还是连接至VIN_DC引脚。


图5：使用充电器及降压转换器组合方案为超级电容器充电的原理图。

整个系统与前文介绍的相似，只有超级电容器现在连接至降压转换器输出端。这种方法的优势在于组合方案的充电器部分只需要在冷启动过程中把较小的100?F电容器充电到1.8V以上。较大的超级电容器通过主充电器与降压转换器充电，其效率得到了明显提高。现在超级电容器的充电速度可大幅提升。

图6是120mF超级电容器如何使用与之前相同的3S太阳能电池(即ISC=1mA及VOC=2V)从完全放电状态进行充电的视图。超级电容器从0V充电到1.8V耗时约为220秒。这比单纯使用充电器IC充电，速度加快了大约27倍。通过观察图6中的VIN线迹，可以发现bq25570几乎全部时间都工作在常规充电模式下，而输入也调整在太阳能电池的MPP附近。


图6：用降压转换器输出为 120mF 超级电容器充电所测得的波形。

在降压转换器输出端为超级电容器充电的主要使能因素是降压转换器中的持续欠压保护特性。这可持续监控VSTOR上的UV阈值，一旦VSTOR上的电压降至低于2V阈值便禁用降压转换器。如果没有该特性，当启用降压转换器为超级电容器充电时，较小的100?F电容器就会损坏。在超级电容器器充电过程中，VSTOR调整在大约2V。当超级电容器达到VOUT设置点1.8V时，充电器会将VSTOR抬高到过压设置点4.2V。将超级电容器充电到Vx所需的时间可用等式3计算。



等式中VMPP是太阳能电池的最大功率点，ηCHG是当VSTOR处于UV阈值时常规充电器的效率，而ηBUCK则是超级电容器充电过程中降压转换器的平均效率。使用1mA ISC将120mF超级电容器充电至1.8V，假定充电器效率为85%，超级电容器充电过程中降压转换器的平均效率为70%，等式3的计算结果就是205秒。在超级电容器的电压超过1.5V时，降压转换器的效率可提升至大约90%。

采用充电器与降压转换器的组合方案充电具有纯充电器方案的全部优点，那么其为完全放电状态超级电容器充电所耗时间与使用二极管充电相比，是否仍可胜出一筹呢？用等式3除以等式1，我们可以得出充电时间比(等式4)：



假定使用一款理想的二极管和一款100%效率的充电器及降压转换器，我们可以看到对于太阳能电池(其MPP为OCV的80%)而言，比值为1/1.6或0.625。因此在理想条件下，充电器+降压转换器组合方案的速度应该比二极管充电器快1.6倍。但充电器及降压转换器的非理想性会降低这一提速因数。

图7是充电时间与bq25570中充电器及降压转换器效率之间的依赖性。图7a是在二极管充电器的帮助下通过1mA ISC、3V VOC太阳能电池为120mF超级电容器充电的情况。图7b是使用bq25570(欠压电平设置为2V)为同一超级电容器充电的情况。当VSTOR为2V时，充电器与降压转换器的效率较低。因此我们可以看到二极管充电器速度稍快。要缩短充电时间，可如图7c所示，将内部欠压电平设置改为2.7V，其可提升充电器与降压转换器的效率。这样bq25570为超级电容器充电的速度就可超过二极管充电器。


图7：使用二极管充电器与能源采集器的超级电容器充电时间比较。