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超等电容组充电办理大电容充电方案

泉源:电子工程专辑 作者:秩名


超等电容(Supercapacitor [SC] 或ultracapacitor)亦称双电层电容(electric double-layer capacitor),现在越来越普遍地用于种种电源办理体系。在汽车使用(如具有再生制动功效的起停体系)中,超等电容可以提供使起动器啮合所需的能量,以重启熄灭发起机,并吸收在制动时期接纳的动能。超等电容的上风在于其充放电次数明显多于传统铅酸电池,同时可以更敏捷地吸取能量而不增加其预期寿命。这些特点还使超等电容对产业后备电源体系、疾速充电无绳电开工具和近程传感用具有吸引力,由于对这些使用来说,频仍改换电池是不实在际的。

本文讨论了有关为这些大电容充电的应战,并向电源体系设计工程师介绍了怎样评价和选择合适后备能量存储使用的*佳体系设置装备摆设。文中介绍了一种超等电容充电器办理方案典范,并提供了波形和细致表明。

体系详述

很多体系设置装备摆设都利用超等电容组作为后备能量存储组件。一开端,设计工程师必要确定其能量存储设置装备摆设目的,然后决议可用多大电压来存储能量。办理方案选择取决于负载的功率和电压要求,以及超等电容的能量和电压才能。在确定了*佳办理方案后,还必需对全体功能与本钱举行均衡。

图1表现了一种高服从办理方案的框图,此中的负载是必要波动输出电压(3.3V、5V、12V等)的器件。48V主电源为正常事情的开关稳压器2(SW2)供电,同时经过开关稳压器1(SW1)为超等电容组充电,使其电压到达25V。当主电源断开时,超等电容组向SW2供电,以维持负载的一连运转。

图1.一种利用超等电容组的电池后备体系的框图

图1.一种利用超等电容组的电池后备体系的框图

选定超等电容后,体系工程师还必需选择为超等电容充电的目的电压,其依据是超等电容的定额曲线。大少数超等电容单位的额外电压范畴为室温下2.5V-3.3V,此额外值在更低温度时降落,随之带来更长的预期寿命。通常,充电目的电压设置值应低于*大额外电压,以延伸超等电容的事情寿命。

接上去必要选择超等电容组的预期电压和SW2拓扑。超等电容组设置装备摆设可为并联、串联大概并联的串联电容串组合。由于单位电容电压额外值通常低于3.3V,且负载每每必要相称或更高的供电电压,以是针对电容单位设置装备摆设和SW2的选项是,利用一个电容单位与一个升压转换器,或串联的多个电容单位与一个降压或降压-升压稳压器。若利用升压设置装备摆设,九游会必需确保在超等电容放电时,电压不会降落至低于SW2的*小事情输出电压。该电压降落大概多达超等电容充电电压的一半之多,为此,九游会举一个由串联超等电容组合和一个复杂降压稳压器(SW1)构成的超等电容组的例子。然后,假如能量要求必要的话,将并联多个串联电容串。

假如选择超等电容的串联组合,则必需依据电容串顶真个*大预期电压来选择所用电容单位的数量。更多的串联电容意味着超等电容串的电容值更小而电压更高。比方,假定选择利用两串由四个2.7V10F电容构成的电容串和由八个相反电容(串联)构成的一个电容串。固然两种设置装备摆设可存储总电荷和能量是相反的,但电容串的可用电压范畴使单个串联串具有上风。比方,假如有一个必要5V偏压的负载,则SW2必要的电压为6V左右(思索到其*大占空比和其他压差要素)。

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

●关于每串4个电容的两个电容串,可用能量W = 2*[(10F/4)/2*((2.7V*4)2-6V2)] = 201.6J

●关于包括8个电容(串联)的单个电容串,可用能量W = 1*[(10F/8)/2*((2.7V*8)2-6V2)] = 269.1J

由于两个电容组可存储相反的总能量,以是电压较低的电容串的充电糜费/不行用百分比更大。在本例中,优先选择更高的电容串电压,以充实使用超等电容。

第三个体系应战来自若作甚超等电容组充电。一开端,当超等电容电压为0时,由于高电容值,SW1 必要在相似输入短路的条件下事情相称永劫间。惯例 SW1 大概陷于打嗝形式而无法为超等电容充电。为了掩护超等电容和 SW1,在充电阶段开端时必要附加的电流限定功效。一种令人得意的办理方案是让 SW1 在简直无输入电压的条件下提供加永劫间的一连充电电流。

为超等电容充电有很多办法。恒定电流/恒定电压(CICV)是常用的优选办法,如图2(CIVE曲线)所示。在充电周期开端时,充电器件(SW1)在恒定电流形式下事情,向超等电容提供恒定电流,使得其电压呈线性增长。在超等电容充电至目的电压时,恒定电压回路激活并正确地控制超等电容充电电平,使之坚持恒定,以制止过分充电。异样,该优先办理方案也提出了对电源办理功效的要求,必要在设计中加以思索。

图2.CICV超等电容充电控制

图2.CICV超等电容充电控制

再以图1为例,在48V主电源、25V超等电容组电压以及3.3V、5V、12V等负载电压的状况下,为SW1和SW2选择同步降压功效是符合的。由于次要应战与超等电容充电有关,以是针对SW1的选择十分紧张。针对SW1的抱负办理方案对电源办理功效的要**可以在高输出(48V)和输入(25V)电压下事情,同时提供CICV调制功效。

超等电容充电器办理方案典范

为阐明超等电容充电举动,九游会以同步降压稳压器为例。阐明其要害题目息争决技能,并利用实行波形来协助了解。

图3.完成CICV超等电容充电控制的同步降压稳压器简化原理图

图3.完成CICV超等电容充电控制的同步降压稳压器简化原理图

图3表现了用Intersil的ISL78268($2.9125)控制的完成CICV形式的同步降压稳压器的简化原理图。为了在CICV控制下将超等电容组充电到25V,在选择控制器时思索了以下功效:

1.能在VIN》= 48V和VOUT》= 25V条件下事情的同步降压控制器。

2.恒定电流和恒定电压调治才能,可主动切换调治形式。

3.在体系供电电压范畴完成正确的电流感测输出以完成CI形式。参考图3,控制器可感测电感器的一连电流,即充电电流。控制器的电流感测缩小器必需可以接受共模电压,在本例中为25V。

ISL78268同步降压控制器的一小局部功效框图

图4表现了ISL78268($2.9125)同步降压控制器的一小局部功效框图。如图所示,有两个独立的偏差缩小器,辨别标志为Gm1和Gm2,用于完成恒定电压(Gm1)和恒定电流(Gm2)。

偏差缩小器Gm1用于CV闭环控制。它比力FB的反应电压与外部1.6V参考电压,并在COMP引脚发生偏差电压。FB引脚从输入电压毗连至一个电阻分压器,并设置为当输入电压为预期电压程度时FB电压为1.6V。于是COMP电压即代表预期输入电压与实践输入电压之差。然后比力COMP与电感电流相比力,以天生PWM信号,来控制输入电压,使之坚持恒定。

偏差缩小器Gm2用于CI闭环控制。它比力IMON/DE引脚电压与外部1.6V参考电压,并在COMP引脚发生偏差电压。IMON/DE引脚电压是外部发生的,代表均匀输入电感电流负载值。因而,COMP电压在Gm2回路激活时(Gm1和Gm2的输入之间的二极管无效地选择哪个回路是激活的)代表预期输入电流与实践输入电流之差。然后COMP与电感电流相比力,以天生PWM信号,来控制输入电压,使之坚持恒定。

在超等电容电压到达目的电压之前的充电阶段,由Gm2的输入来驱动COMP引脚,发生PWM输入,以完成CI控制。当超等电容电压到达目的值时,充电电流减小,惹起IMON/DE引脚电压低落和CI回路断开(当IMON/DE《1.6V时),于是CV回路天然地接受对COMP的控制,从而坚持输入电压恒定。

ISL78268($2.9125)降压控制器既有峰值电流形式的PWM控制器(牢靠的逐周期峰值电流调制器),也有十分实用于超等电容充电的内部恒定均匀电流回路。

图4.ISL78268 CICV回路简化框图

图4.ISL78268($2.9125) CICV回路简化框图

如今,九游会可以重点介绍已完成的超等电容充电完成方案。图5、6和7表现了由ISL78268($2.9125)控制,来为超等电容组(12节50F/2.7V串联电容)充电的同步降压控制器的实行波形。超等电容将经过主电源充电至25V。

图5.超等电容充电的实行波形

图5.超等电容充电的实行波形

图5表现超等电容充电有多个阶段。开端时,在第1阶段,Vo简直为0.ISL78268($2.9125)的IMON/DE引脚上的均匀电流信号还未到达1.6V(希冀充电电流的参考值),以是CI回路还未接通(engage)。在此阶段,电感器的峰值电流被逐周限期制于牢固的OC阈值。在VOUT处于低程度(FB《0.4V)的充电阶段开端时,开关频率*大值被限定在50kHz,以防备所提到的由于低VOUT时的峰值电流限定而惹起的电感器失控题目。

图6表现了第1阶段的波形的缩小图。第2阶段从IMON/DE引脚电压(黄色迹线)到达1.6V时开端。在此阶段,CI回路接通并拉低COMP信号(青色迹线),从而开端波动输入电流并使IMON/DE引脚电压坚持恒定。IMON/DE引脚电压代表所感测的均匀输入电流信号。IL波形(绿色迹线)表现均匀电流在第2阶段被控制为恒定程度。输入电压波形(粉色迹线)表现超等电容被恒定充电电流以线性方法充电。

图6.超等电容充电第1阶段的实行波形缩小

图6.超等电容充电第1阶段的实行波形缩小

第3阶段从FB引脚检测到0.4V电压开端(图7)。该触发之后恒定电流波动回路将完全接通,以是开关频率可主动调治至预编程的300kHz.在更高的开关频率下,电感电流纹波(绿色迹线)明显减小。输入电压(粉色迹线)持续呈线性增长,表现超等电容被线性充电。

图7.超等电容充电的实行波形

图7.超等电容充电的实行波形

回到图5,第3阶段不停到Vo到达25V的目的电压时完毕。此时,CV回路接通并波动输入电压。均匀电流回路断开。图5表现输入电压(粉色迹线)趋平且电感电流低落。代表均匀充电电流的IMON/DE引脚电流也降落,表现恒定电流波动历程完毕。

完毕语

超等电容由于其固有物理特性比拟传统电池具有的上风在汽车、产业和消耗产品中被用作能量存储办理方案。为使超等电容组的可存储能量*大化,*佳方案每每是串联多个超等电容单位来完成高电容组电压。充电时,*好利用CICV办法来限定由于超等电容充电到恒定电压时期的低ESR而发生的高电流。恒定电流还可以使充电消耗可控制,这可以增加所天生的热量并延伸超等电容的寿命。因而,让充电电路容忍高电压并提供CICV控制功效是无益的。



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