高能效比電容供電電路設(shè)計(jì)

使用超級(jí)電容器(supercapacitor)并在便攜式微功率應(yīng)用中取代電池這一概念的發(fā)展勢頭越來越猛(參考文獻(xiàn)1)。事實(shí)上，它已成為時(shí)下更引人注目的技術(shù)趨勢之一。

當(dāng)把諸如Maxwell TECHNOLOGIES的BOOSTCAP和Elna的DYNACAP等超級(jí)電容用作電源時(shí)，它們具有比傳統(tǒng)可充電電池大得多的優(yōu)勢。例如，它們對短路具有很強(qiáng)抵抗力、充電周期很短以及實(shí)際上幾近無限的充放電次數(shù)(可達(dá)100萬次，而充電電池才1000次)，從而提供了一種環(huán)保、“沒有一次性器件”的方案。此外，大多數(shù)超級(jí)電容滿足歐盟對有害物質(zhì)(RoHS)方面的使用限制。

從設(shè)計(jì)角度看，超級(jí)電容和電池的根本區(qū)別在于電容器在充/放電周期發(fā)生的顯著電壓變化。充電時(shí)，理論上，電容器的電壓從零上升到其最高額定電壓，而電池的端電壓在其工作周期中變化很小。超級(jí)電容是電子電容器的一個(gè)子集?？赏ㄟ^下式得出能從超級(jí)電容放電周期中(放電周期是指電容器的端電壓從其最大值VMAX變?yōu)樽畹凸ぷ麟妷篤MIN的過程)獲得的有效能量EEFF：

EEFF = 1/2 × C × ( V2MAX – V2MIN) (1)

相應(yīng)地，有效能量比(EER)可定義為：

EEFF/ EMAX = 1–(VMIN/VMAX)2 (2)

其中EMAX代表電容器存儲(chǔ)的總能量。等式2明確表明，隨著我們通過減少電容器內(nèi)的駐留電能，而降低了被供電電路的最低工作電壓VMIN，有效能效比可獲得極大地提升。對任何以電容供電的電路來說，能效比都是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)考慮。

當(dāng)電路內(nèi)電子器件的最低工作電壓VMIN從3.6V降為1V時(shí)，能效比從48％提高到96％。因此，對于電容供電電路的設(shè)計(jì)來說，“擠壓器件的工作電壓”是首先要考慮的問題。

使用超低功率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器(如參考文獻(xiàn)2所述的無電感型轉(zhuǎn)換器，其工作電壓可低至0.7 V)可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，但它可能會(huì)增加設(shè)計(jì)成本和功耗。另一種選擇是使用針對超低電壓器件工作而研制的專用設(shè)計(jì)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)3介紹的就是這樣一種低壓電路設(shè)計(jì)的好例子。建議采用的微功率、超低電壓、全頻、無二極管整流器就非常適合電容供電的電路(圖2)。

圖2：最簡單的無二極管精精密全波整流器采用單個(gè)軌至軌運(yùn)算放大器和三個(gè)匹配的電阻。

為把握電路的工作原理，請務(wù)必注意：運(yùn)算放大器工作在單電源模式。若將正信號(hào)加到輸入端(VIN> 0)，運(yùn)算放大器的輸出就變?yōu)榱?，此時(shí)整個(gè)電路實(shí)際上轉(zhuǎn)變成一個(gè)簡單的由三個(gè)電阻(R1、R2和R3)串聯(lián)的無源網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，運(yùn)算放大器恢復(fù)“正常線性狀態(tài)”并作為常規(guī)反相放大器工作。為產(chǎn)生對稱的正半波和負(fù)半波輸出，R1、R2和R3的值必須要滿足如下條件：

R1 × R3 = R2 × (R1 + R2 + R3) (3)

在滿足等式3的條件下，電路在點(diǎn)2具有1/2的增益。可添加一個(gè)增益為2的非反相放大器以得到一致的整體增益，從而實(shí)現(xiàn)工作等式VOUT=|VIN|。

該電路具有一定局限性：其正負(fù)半波的輸入阻抗不同。理論上，正半波的阻抗是R1+R2+R3，而負(fù)半波的僅為R1。此外，運(yùn)算放大器的輸入寄生電容(CP)會(huì)影響交流工作模式，尤其是在高頻范圍。(交流性能的詳細(xì)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本文范圍。我建議在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用Spice仿真)。

該電路可采用多種軌至軌微功率運(yùn)算放大器，例如：美國國家半導(dǎo)體的雙LM*2(VMIN= 1.8 V)；美信集成產(chǎn)品的雙MAX 4289(VMIN=1.0V)；或相似類型的產(chǎn)品。

由于典型的硅二極管具有約0.6V的正向壓降，因此其輸出動(dòng)態(tài)范圍要從電源電壓中減去這0.6V。在構(gòu)建電容供電電路(其中電路電源電壓應(yīng)盡可能的低)時(shí)，這一考慮已變得相當(dāng)重要?；谶@個(gè)原因，建議采用的無二極管設(shè)計(jì)方案更適合電容供電模式。它節(jié)省了寶貴的0.6V電壓(考慮到運(yùn)算放大器可工作在1V的這種可能性，0.6V的確非常有價(jià)值)，從而降低了電路的最低工作電壓，進(jìn)而提高了方案的整體能效比。