超級(jí)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)對(duì)峰值功率的需求，如IEEE802.15.4 (ZigBee)、802.11(WLAN)或 GSM/GPRS。電池或超級(jí)電容作為一種功率緩沖器，能夠存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)備以小功率充電，而在需要時(shí)提供突發(fā)的能量。

確定超級(jí)電容的大小

超級(jí)電容芯通常工作在2.3V~2.8V。最有效率和最有性價(jià)比的策略是將超級(jí)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(chǔ)足夠的能量。一種確定超級(jí)電容的簡(jiǎn)單方法是計(jì)算出支持應(yīng)用峰

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

超級(jí)電容的容值與ESR也應(yīng)允許老化。超級(jí)電容會(huì)隨著時(shí)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(jì)者應(yīng)對(duì)初始電容和ESR做出選擇，使壽命終止時(shí)的電容與ESR仍可以支持應(yīng)用。

超級(jí)電容的充電

一個(gè)放電的超級(jí)電容就像一個(gè)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(jī))都可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)短接的電路，從0V起為一只超級(jí)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(dòng)一個(gè)短接的電路，從而為超級(jí)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(shí)，這種方案是可行的。電池充電器通常是一個(gè)dc/dc轉(zhuǎn)換器，它對(duì)能量源是一個(gè)恒定功率的負(fù)載，因此，采用MPPT在最高效點(diǎn)獲得能量就是有意義的。

與電池相反，超級(jí)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(shí)效率最高。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)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(jí)電容額定電壓的情況。二極管可防止超級(jí)電容在太陽能電池?zé)o光照情況下對(duì)其反充電。如果能源的開路電壓大于超級(jí)電容的電壓，則超級(jí)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(jià)而簡(jiǎn)單的方案，一旦超級(jí)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(jí)電容的電壓，則超級(jí)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(jī)的電壓-電流特性類似于太陽能電池芯，能為一個(gè)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(gè)水槽注水(好比一只超級(jí)電容)。如果水槽滿了，水管仍開著，水就會(huì)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(jí)電容為0V，從一塊太陽能電池芯獲取短路電流。隨著超級(jí)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(jí)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?yàn)樗鼉?nèi)含了一個(gè)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(shí)，輸出就是開路的。電路采用了BAT54二極管，因?yàn)樗谛‰娏鲿r(shí)有低的正向壓降，即在正向電流小于10μA時(shí)，正向電壓小于0.1V。

微發(fā)電機(jī)很適合于工業(yè)控制應(yīng)用，如監(jiān)控旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，因?yàn)闄C(jī)器在工作時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)。圖4給出了一只微發(fā)電機(jī)的電壓-電流特性，它類似于一只太陽能電池芯，能夠?yàn)橐粋€(gè)短接電路提供最大的電流。微發(fā)電機(jī)還帶有一個(gè)二極管橋，可防止超級(jí)電容為發(fā)電機(jī)反向充電，這就得到了一個(gè)簡(jiǎn)單的充電電路(圖5)。