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)計工程師介紹了如何評估和選擇適合后備能量存儲應(yīng)用的最佳系統(tǒng)配置。文中介紹了一種超級電容充電器解決方案范例，并提供了波形和詳細解釋。

系統(tǒng)詳述

許多系統(tǒng)配置都使用超級電容組作為后備能量存儲組件。一開始，設(shè)計工程師需要確定其能量存儲配置目標，然后決定可用多大電壓來存儲能量。解決方案選擇取決于負載的功率和電壓要求，以及超級電容的能量和電壓能力。在確定了最佳解決方案后，還必須對整體性能與成本進行平衡。

圖1顯示了一種高效率解決方案的框圖充電電容，其中的負載是需要穩(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，同時通過開關(guān)穩(wěn)壓器1（SW1）為超級電容組充電，使其電壓達到25V。當(dāng)主電源斷開時，超級電容組向SW2供電，以維持負載的連續(xù)運行。

圖1.一種使用超級電容組的電池后備系統(tǒng)的框圖

選定超級電容后，系統(tǒng)工程師還必須選擇為超級電容充電的目標電壓，其根據(jù)是超級電容的定額曲線。大多數(shù)超級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下降，隨之帶來更長的預(yù)期壽命。通常，充電目標電壓設(shè)置值應(yīng)低于最大額定電壓，以延長超級電容的工作壽命。

接下來需要選擇超級電容組的預(yù)期電壓和SW2拓撲。超級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。因為單元電容電壓額定值通常低于3.3V，且負載常常需要相等或更高的供電電壓，所以針對電容單元配置和SW2的選項是，使用一個電容單元與一個升壓轉(zhuǎn)換器，或串聯(lián)的多個電容單元與一個降壓或降壓-升壓穩(wěn)壓器。若使用升壓配置，我們必須確保在超級電容放電時，電壓不會下降至低于SW2的最小工作輸入電壓。該電壓下降可能多達超級電容充電電壓的一半之多，為此，我們舉一個由串聯(lián)超級電容組合和一個簡單降壓穩(wěn)壓器（SW1）組成的超級電容組的例子。然后，如果能量要求需要的話，將并聯(lián)多個串聯(lián)電容串。

如果選擇超級電容的串聯(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2.7V 10F電容組成的電容串和由八個相同電容（串聯(lián)）組成的一個電容串。雖然兩種配置可存儲總電荷和能量是相同的，但電容串的可用電壓范圍使單個串聯(lián)串具有優(yōu)勢。例如，如果有一個需要5V偏壓的負載，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）。

●電容中的能量W=CV2/2，可用能量W= C/2（Vcharge2 - Vdicharge2）

●對于每串4個電容的兩個電容串，可用能量W = 2*［（10F/4）/2*（（2.7V*4）2-6V2）］ = 201.6J

●對于包含8個電容（串聯(lián)）的單個電容串，可用能量W = 1*［（10F/8）/2*（（2.7V*8）2-6V2）］ = 269.1J

因為兩個電容組可存儲相同的總能量，所以電壓較低的電容串的充電浪費/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，以充分利用超級電容。

第三個系統(tǒng)挑戰(zhàn)來自如何為超級電容組充電。一開始，當(dāng)超級電容電壓為0時，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)長時間。常規(guī) SW1 可能陷于打嗝模式而無法為超級電容充電。為了保護超級電容和 SW1，在充電階段開始時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時間的連續(xù)充電電流。

為超級電容充電有許多方法。恒定電流/恒定電壓（CICV）是常用的首選方法充電電容，如圖2（CIVE曲線）所示。在充電周期開始時，充電器件（SW1）在恒定電流模式下工作，向超級電容提供恒定電流，使得其電壓呈線性增加。在超級電容充電至目標電壓時，恒定電壓回路激活并準確地控制超級電容充電電平，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電源管理功能的要求，需要在設(shè)計中加以考慮。