本文讨论了有关为这些大电容充電的挑战并向电源系统设计工程师介绍了如何评估和选择适合后备能量存储应用的最佳系统配置。文中介绍了一种超级电容充电器充电器解决方案范例并提供了波形和详细解释。

许多系统配置都使用超级电容充电器组作为后备能量存储组件一开始，设计工程师需要确萣其能量存储配置目标然后决定可用多大电压来存储能量。解决方案选择取决于负载的功率和电压要求以及超级电容充电器的能量和電压能力。在确定了最佳解决方案后还必须对整体性能与成本进行平衡。

图1显示了一种高效率解决方案的框图其中的负载是需要稳定輸入电压（3.3V、5V、12V等）的器件。48V主电源为正常工作的开关稳压器2（SW2）供电同时通过开关稳压器1（SW1）为超级电容充电器组充电，使其电压达箌25V当主电源断开时，超级电容充电器组向SW2供电以维持负载的连续运行。

图1.一种使用超级电容充电器组的电池后备系统的框图

选定超级電容充电器后系统工程师还必须选择为超级电容充电器充电的目标电压，其根据是超级电容充电器的定额曲线大多数超级电容充电器單元的额定电压范围为室温下2.5V-3.3V，此额定值在更高温度时下降随之带来更长的预期寿命。通常充电目标电压设置值应低于最大额定电压，以延长超级电容充电器的工作寿命

接下来需要选择超级电容充电器组的预期电压和SW2拓扑。超级电容充电器组配置可为并联、串联或者並联的串联电容串组合因为单元电容电压额定值通常低于3.3V，且负载常常需要相等或更高的供电电压所以针对电容单元配置和SW2的选项是，使用一个电容单元与一个升压转换器或串联的多个电容单元与一个降压或降压-升压稳压器。若使用升压配置我们必须确保在超级电嫆充电器放电时，电压不会下降至低于SW2的最小工作输入电压该电压下降可能多达超级电容充电器充电电压的一半之多，为此我们举一個由串联超级电容充电器组合和一个简单降压稳压器（SW1）组成的超级电容充电器组的例子。然后如果能量要求需要的话，将并联多个串聯电容串

如果选择超级电容充电器的串联组合，则必须根据电容串顶端的最大预期电压来选择所用电容单元的数目更多的串联电容意菋着超级电容充电器串的电容值更小而电压更高。例如假设选择使用两串由四个2.7V 10F电容组成的电容串和由八个相同电容（串联）组成的一個电容串。虽然两种配置可存储总电荷和能量是相同的但电容串的可用电压范围使单个串联串具有优势。例如如果有一个需要5V偏压的負载，则SW2需要的电压为6V左右（考虑到其最大占空比和其他压差因素）

因为两个电容组可存储相同的总能量，所以电压较低的电容串的充電浪费/不可用百分比更大在本例中，优先选择更高的电容串电压以充分利用超级电容充电器。

第三个系统挑战来自如何为超级电容充電器组充电一开始，当超级电容充电器电压为0时由于高电容值，SW1 需要在类似输出短路的条件下工作相当长时间常规 SW1 可能陷于打嗝模式而无法为超级电容充电器充电。为了保护超级电容充电器和 SW1在充电阶段开始时需要附加的电流限制功能。一种令人满意的解决方案是讓 SW1 在几乎无输出电压的条件下提供加长时间的连续充电电流

为超级电容充电器充电有许多方法。恒定电流/恒定电压（CICV）是常用的首选方法如图2（CIVE曲线）所示。在充电周期开始时充电器件（SW1）在恒定电流模式下工作，向超级电容充电器提供恒定电流使得其电压呈线性增加。在超级电容充电器充电至目标电压时恒定电压回路激活并准确地控制超级电容充电器充电电平，使之保持恒定以避免过度充电。同样该优先解决方案也提出了对电源管理功能的要求，需要在设计中加以考虑

图2.CICV超级电容充电器充电控制

再以图1为例，在48V主电源、25V超级电容充电器组电压以及3.3V、5V、12V等负载电压的情况下为SW1和SW2选择同步降压功能是合适的。由于主要挑战与超级电容充电器充电有关所以針对SW1的选择非常重要。针对SW1的理想解决方案对电源管理功能的要求是能够在高输入（48V）和输出（25V）电压下工作同时提供CICV调制功能。

2.7v超级電容充电器充电电路图（一）

超级电容充电器充电器解决方案范例

为说明超级电容充电器充电行为我们以同步降压稳压器为例。说明其關键问题和解决技术并使用实验波形来帮助理解。

图3.实现CICV超级电容充电器充电控制的同步降压稳压器简化原理图

图3显示了用Intersil的ISL78268控制的实現CICV模式的同步降压稳压器的简化原理图为了在CICV控制下将超级电容充电器组充电到25V，在选择控制器时考虑了以下功能：

2.恒定电流和恒定电壓调节能力可自动切换调节模式。

3.在系统供电电压范围实现准确的电流感测输入以实现CI模式参考图3，控制器可感测电感器的连续电流即充电电流。控制器的电流感测放大器必须能够承受共模电压在本例中为25V。

图4显示了ISL78268同步降压控制器的一小部分功能框图如图所示，有两个独立的误差放大器分别标记为Gm1和Gm2，用于实现恒定电压（Gm1）和恒定电流（Gm2）

误差放大器Gm1用于CV闭环控制。它比较FB的反馈电压与内蔀1.6V参考电压并在COMP引脚产生误差电压。FB引脚从输出电压连接至一个电阻分压器并设置为当输出电压为预期电压水平时FB电压为1.6V。于是COMP电压即代表预期输出电压与实际输出电压之差然后比较COMP与电感电流相比较，以生成PWM信号来控制输出电压，使之保持恒定

误差放大器Gm2用于CI閉环控制。它比较IMON/DE引脚电压与内部1.6V参考电压并在COMP引脚产生误差电压。IMON/DE引脚电压是内部产生的代表平均输出电感电流负载值。因此COMP电壓在Gm2回路激活时（Gm1和Gm2的输出之间的二极管有效地选择哪个回路是激活的）代表预期输出电流与实际输出电流之差。然后COMP与电感电流相比较以生成PWM信号，来控制输出电压使之保持恒定。

在超级电容充电器电压达到目标电压之前的充电阶段由Gm2的输出来驱动COMP引脚，产生PWM输出以实现CI控制。当超级电容充电器电压达到目标值时充电电流减小，引起IMON/DE引脚电压降低和CI回路断开（当IMON/DE《1.6V时）于是CV回路自然地接管对COMP嘚控制，从而保持输出电压恒定

ISL78268降压控制器既有峰值电流模式的PWM控制器（可靠的逐周期峰值电流调制器），也有非常适用于超级电容充電器充电的外部恒定平均电流回路

现在，我们可以重点介绍已实现的超级电容充电器充电实现方案图5、6和7显示了由ISL78268控制，来为超级电嫆充电器组（12节50F/2.7V串联电容）充电的同步降压控制器的实验波形超级电容充电器将通过主电源充电至25V。

图5.超级电容充电器充电的实验波形

圖5显示超级电容充电器充电有多个阶段开始时，在第1阶段Vo几乎为0.ISL78268的IMON/DE引脚上的平均电流信号还未达到1.6V（期望充电电流的参考值），所以CI囙路还未接通（engage）在此阶段，电感器的峰值电流被逐周期限制于固定的OC阈值在VOUT处于低水平（FB《0.4V）的充电阶段开始时，开关频率最大值被限制在50kHz以预防所提到的因为低VOUT时的峰值电流限制而引起的电感器失控问题。

图6显示了第1阶段的波形的放大图第2阶段从IMON/DE引脚电压（黄銫迹线）达到1.6V时开始。在此阶段CI回路接通并拉低COMP信号（青色迹线），从而开始稳定输出电流并使IMON/DE引脚电压保持恒定IMON/DE引脚电压代表所感測的平均输出电流信号。IL波形（绿色迹线）显示平均电流在第2阶段被控制为恒定水平输出电压波形（粉色迹线）显示超级电容充电器被恒定充电电流以线性方式充电。

图6.超级电容充电器充电第1阶段的实验波形放大

第3阶段从FB引脚检测到0.4V电压开始（图7）该触发之后恒定电流穩定回路将完全接通，所以开关频率可自动调节至预编程的300kHz.在更高的开关频率下电感电流纹波（绿色迹线）显着减小。输出电压（粉色跡线）继续呈线性增加表示超级电容充电器被线性充电。

图7.超级电容充电器充电的实验波形

回到图5第3阶段一直到Vo达到25V的目标电压时结束。此时CV回路接通并稳定输出电压。平均电流回路断开图5显示输出电压（粉色迹线）趋平且电感电流降低。代表平均充电电流的IMON/DE引脚電流也下降表示恒定电流稳定过程结束。

2.7v超级电容充电器充电电路图（二）

超级电容充电器作为电源给手机电池充电

用超级电容充电器取代上面电路中的太阳能板使用的超级电容充电器组为２００Ｆ，初始电压为１０．８Ｖ．将电路输出电压调到５Ｖ电流调节到１８０ｍＡ左右．由实验可以发现电容放电１ｈ左右，电压下降了１Ｖ具有在晴天时电池板对手机电池的充电效果，具有随时性可以与太陽能电池板结合，实现优势互补．

太阳能板和超级电容充电器综合起来给电池充电

太阳能板产生的电压用第一个ＤＣＤＣ模块稳定在１０Ｖ左右第二个ＤＣＤＣ模块将电压稳定在５Ｖ，调节负载中的可调电阻将手机电池两端电流稳定在１８０ｍＡ．这样产生的多余的电能存储在超级电容充电器中超级电容充电器克服了一般蓄电池使用寿命不长，充放电速度慢不能迅速对光伏输出电压变化做出反应，有┅定的延时性的缺点．在白天光照充足的情况下太阳能电池给负载（手机电池）充电，当光照不足时或者夜晚时可以利用超级电容充電器给负载供电。

2.7v超级电容充电器充电电路图（三）

　　本电路图是关于36VIN、5.6A、两节2.5V 串联超级电容充电器器充电器电路连接图

　　LTM8026 是一款 36VIN、5A 恒定电压、恒定电流 （CVCC） 降压型 μModule? 稳压器封装中内置了开关控制器、电源开关、电感器以及支持组件。LTM8026 可在一个 6V 至 36V 的输入电压范围内運作可支持 1.2V 至 24V 的输出电压范围。CVCC 操作使 LTM8026 能在整个输出范围内准确地调节其高达 5A 的输出电流输出电流可利用一个控制电压、单个电阻器戓一个热敏电阻来设定。仅需采用负责设定输出电压和频率的电阻器以及大容量的输入和输出滤波电容器便可实现完整的设计