超級電容與小型能量采集源的結(jié)合

小型無線傳感器正在遍及每個角落。傳感器應(yīng)用包括建筑控制、工業(yè)控制、安保、定位跟蹤以及RFID。小型能量采集源為這些傳感器自動供電，不需要昂貴的布線以及重復(fù)更換的電池，從而更加方便且具有高成本效益。

我們周圍的環(huán)境可提供無限的能量，包括壓電、熱、振動以及光伏太陽能，但功率很低，因此達(dá)不到通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時對峰值功率的需求，如IEEE802.15.4 (ZigBee)、802.11(WLAN)或 GSM/GPRS。電池或超級電容作為一種功率緩沖器，能夠存儲足夠的能量，為數(shù)據(jù)采集與傳輸提供所需要的突發(fā)功率。這些能量存儲設(shè)備以小功率充電，而在需要時提供突發(fā)的能量。

確定超級電容的大小

超級電容芯通常工作在2.3V~2.8V。最有效率和最有性價比的策略是將超級電容的充電電壓限制在低于其額定電壓下，并為應(yīng)用存儲足夠的能量。一種確定超級電容的簡單方法是計算出支持應(yīng)用峰

如果電流與ESR的乘積明顯大于超級電壓的最終電壓，則這個計算就很重要。此時，用簡單的能量平衡方法會讓超級電容值過小。在低溫時很可能會出現(xiàn)這種問題，此時ESR通常要比室溫下高出2倍到3倍。

超級電容的容值與ESR也應(yīng)允許老化。超級電容會隨著時間而緩慢地丟失電容值，增加ESR。老化速度取決于電池芯電壓與溫度。設(shè)計者應(yīng)對初始電容和ESR做出選擇，使壽命終止時的電容與ESR仍可以支持應(yīng)用。

超級電容的充電

一個放電的超級電容就像一個與能量源短接的電路。所幸，很多能量采集源(如太陽能電池和微發(fā)電機)都可以驅(qū)動一個短接的電路，從0V起為一只超級電容直接充電。與各種能量源(如壓電或熱電能)接口的IC必須能夠驅(qū)動一個短接的電路，從而為超級電容充電。

業(yè)界在MPPT(最大峰值功率追蹤)方面做了很大努力，以從能量采集源最有效地獲得功率。當(dāng)必須用恒壓方式為電池充電時，這種方案是可行的。電池充電器通常是一個dc/dc轉(zhuǎn)換器，它對能量源是一個恒定功率的負(fù)載，因此，采用MPPT在最高效點獲得能量就是有意義的。

與電池相反，超級電容不需要以恒壓充電，而以電源可以提供的最大電流充電時效率最高。圖2顯示了一個簡單而有效的充電電路，用于太陽能電池陣列的開路電壓小于超級電容額定電壓的情況。二極管可防止超級電容在太陽能電池?zé)o光照情況下對其反充電。如果能源的開路電壓大于超級電容的電壓，則超級電容需要采用分流穩(wěn)壓器做過壓保護(hù)(圖3)。分流穩(wěn)壓器是過壓保護(hù)一種廉價而簡單的方案，一旦超級電容充滿電，就無所謂是否消耗了過多的能量。

圖3，如果能量源的開路電壓大于超級電容的電壓，則超級電容需要采用分流穩(wěn)壓器做過壓保護(hù)。

圖4，一只微發(fā)電機的電壓-電流特性類似于太陽能電池芯，能為一個短接電路提供最大的電流。

能量采集器就像一根能無限供水的水管，為一個水槽注水(好比一只超級電容)。如果水槽滿了，水管仍開著，水就會溢出。這與電池不同，電池供給能量有限，因此需要串聯(lián)穩(wěn)壓器。

在圖2中的電路里，超級電容為0V，從一塊太陽能電池芯獲取短路電流。隨著超級電容的充電，電流下降，這取決于太陽電池芯的電壓/電流特性。但超級電容總是要獲取可能的最大電流，因此它以盡可能大的速率充電。圖3中的電路采用了TLV3011太陽能電池芯，因為它內(nèi)含了一個電壓基準(zhǔn)，只需要約3μA的靜態(tài)電流，并且它是一種漏極開路電池芯，當(dāng)穩(wěn)壓器關(guān)斷時，輸出就是開路的。電路采用了BAT54二極管，因為它在小電流時有低的正向壓降，即在正向電流小于10μA時，正向電壓小于0.1V。

微發(fā)電機很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，如監(jiān)控旋轉(zhuǎn)的機器，因為機器在工作時會發(fā)生振動。圖4給出了一只微發(fā)電機的電壓-電流特性，它類似于一只太陽能電池芯，能夠為一個短接電路提供最大的電流。微發(fā)電機還帶有一個二極管橋，可防止超級電容為發(fā)電機反向充電，這就得到了一個簡單的充電電路(圖5)。