超級(jí)電容具有功率密度高，充放電時(shí)間端，循環(huán)壽命長(zhǎng)，工作溫度范圍寬等顯著的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在大功率能量流動(dòng)的場(chǎng)合。超級(jí)電容容值通常達(dá)到幾千法拉，但是可耐受的電壓低，在實(shí)際使用時(shí)必須大量串聯(lián)使用。同時(shí)，超級(jí)電容自漏電速率大大超過(guò)鋰電池等傳統(tǒng)的化學(xué)儲(chǔ)能元件，無(wú)法長(zhǎng)期保存能量，這要求超級(jí)電容在初次使用，或者長(zhǎng)期靜置再次投入電氣設(shè)備使用之前需要進(jìn)行快速的初充電，使超級(jí)電容內(nèi)部維持一定的能量。

法拉電容充電電路圖（一）

超級(jí)電容充放電電路

限流電阻的大小主要取決于用戶電源系統(tǒng)的功率；如果用戶電源系統(tǒng)的功率比較大，那么限流電阻可以取小一點(diǎn)，如果電源功率比較小，那么電阻取大一些，同時(shí)注意電阻的功率，正常功率必須在1W以上。比如電源最大工作電流為1A，電壓5V，那么限流電阻取5歐左右，功率為5W。此充電電路只限于內(nèi)阻很小的超級(jí)電容，比如柱式超級(jí)電容，對(duì)于內(nèi)阻比較大的超級(jí)電容，則無(wú)須限流電阻，比如扣式超級(jí)電容。放電二極管可以選取正向?qū)▔航当容^小的齊納二極管，同時(shí)保證一定的功率。

法拉電容充電電路圖（二）

本電路圖是關(guān)于36VIN、5.6A、兩節(jié)2.5V 串聯(lián)超級(jí)電容器充電器電路連接圖

LTM8026 是一款 36VIN、5A 恒定電壓、恒定電流 （CVCC） 降壓型 μModule? 穩(wěn)壓器。封裝中內(nèi)置了開(kāi)關(guān)控制器、電源開(kāi)關(guān)、電感器以及支持組件。LTM8026 可在一個(gè) 6V 至 36V 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，可支持 1.2V 至 24V 的輸出電壓范圍。CVCC 操作使 LTM8026 能在整個(gè)輸出范圍內(nèi)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)其高達(dá) 5A 的輸出電流。輸出電流可利用一個(gè)控制電壓、單個(gè)電阻器或一個(gè)熱敏電阻來(lái)設(shè)定。僅需采用負(fù)責(zé)設(shè)定輸出電壓和頻率的電阻器以及大容量的輸入和輸出濾波電容器便可實(shí)現(xiàn)完整的設(shè)計(jì)。

法拉電容充電電路圖（三）

LTR3741組成的5V，20A超級(jí)電容充電電路

圖 LTR3741 5V穩(wěn)壓輸出的20A超電容充電器電路圖
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法拉電容充電電路圖（四）

在該應(yīng)用中，于正常操作期間將兩個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器充電至 5V，以在主電源出現(xiàn)故障時(shí)提供所需的后備電源。只要主電源接入，LTC3536 就將處于靜態(tài)電流非常低的突發(fā)模式 （Burst Mode） 操作，從而最大限度地減少后備存儲(chǔ)電容器的電量消耗。

法拉電容充電電路圖（五）

LT3741 是一款固定頻率、同步降壓型DC/DC 控制器，專為準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)高達(dá)20A 的輸出電流而設(shè)計(jì)。平均電流模式控制器將在一個(gè)0V 至（VIN - 2V） 的寬輸出電壓范圍內(nèi)保持電感器電流調(diào)節(jié)作用。已調(diào)電流由CTRL 引腳上的一個(gè)模擬電壓和一個(gè)外部檢測(cè)電阻器來(lái)設(shè)定。LT3741 運(yùn)用了一種獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而能夠供應(yīng)和吸收電流。已調(diào)電壓和過(guò)壓保護(hù)功能電路利用一個(gè)連接在輸出端和FB 引腳之間的分壓器來(lái)設(shè)定。開(kāi)關(guān)頻率可通過(guò)一個(gè)外部電阻器或利用一個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)在200kHz 至1MHz 的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。

法拉電容充電電路圖（六）

通過(guò)太陽(yáng)能電池為超級(jí)電容器充電的最簡(jiǎn)單方法是使用二極管。在普通光照條件下，即使考慮到二極管造成的損耗，超級(jí)電容器也可充電到太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓。圖1是超級(jí)電容器在二極管幫助下充電的原理圖。大多數(shù)系統(tǒng)都需要一個(gè)輔助過(guò)壓保護(hù)電路，以保護(hù)超級(jí)電容器以及后續(xù)的負(fù)載電子設(shè)備。

圖1：使用二極管為超級(jí)電容器充電的原理圖

這種解決方案的簡(jiǎn)捷性使之常為低成本太陽(yáng)能附件選用。但是這種方法有許多不足之處。首先，它只能用于多體太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓高于超級(jí)電容器的過(guò)壓限值或所需的負(fù)載電壓。輸出低電壓的熱電采集器不能使用這種方法為蓄能元件充電。

另外，該電路將太陽(yáng)能電池穩(wěn)壓在蓄電介質(zhì)電壓以上的一個(gè)二極管壓降上。這就意味著蓄電介質(zhì)上的電壓根據(jù)負(fù)載條件變化時(shí)，太陽(yáng)能電池的穩(wěn)壓點(diǎn)也會(huì)隨之移動(dòng)。對(duì)于具有寬泛放電曲線的蓄電池或者電壓可隨負(fù)載需求發(fā)生明顯變化的超級(jí)電容器而言，這并非理想的解決方案，因?yàn)樘?yáng)能電池的電壓調(diào)整在遠(yuǎn)離其最大功率點(diǎn)的位置。大多數(shù)低功耗電子系統(tǒng)中所需的輔助過(guò)壓保護(hù)電路也會(huì)消耗靜態(tài)電流，其可在低光照期間影響系統(tǒng)效率。

二極管充電的不足可使用專門(mén)用于與能源采集設(shè)備配套使用的集成電路克服。這類(lèi)器件之一即為bq25504。這是一款超低靜態(tài)電流充電器IC，可對(duì)所連接的能源采集器進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。圖3是如何使用該器件為超級(jí)電容器充電的示意圖，為了清楚起見(jiàn)，圖中只顯示了必用的引腳。電阻器ROV1與ROV2用于設(shè)置超級(jí)電容器的過(guò)壓閾值。電阻器ROK1、ROK2與ROK3用于設(shè)置VBAT_OK信號(hào)的上下閾值，其可用于控制系統(tǒng)負(fù)載，以防超級(jí)電容器過(guò)度放電。太陽(yáng)能電池與引腳VIN_DC相連。

圖3：使用升壓充電器IC為超級(jí)電容器充電的原理圖

由于超級(jí)電容器在過(guò)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有采集能源輸入時(shí)，通常會(huì)一直放電到0V，因此系統(tǒng)需要從蓄能電容器完全放空的情況下啟動(dòng)。大多數(shù)專用能源采集充電器IC都具有冷啟動(dòng)特性，只要輸入電源電壓高于一定水平，就能啟動(dòng)為處于完全放電狀態(tài)的蓄能元件充電。本例中電壓值為330mV。

使用升壓充電器IC為超級(jí)電容器充電的優(yōu)勢(shì)之一在于能夠使用單體或雙體太陽(yáng)能電池，與多體太陽(yáng)能電池相比，其可為相同的太陽(yáng)能電池面積提供更大的平均電源。該款內(nèi)建過(guò)壓保護(hù)電路的 IC 有助于保護(hù)超級(jí)電容器及負(fù)載電子設(shè)備。用戶可編程型VBAT_OK電平可用于向負(fù)載電路發(fā)出開(kāi)關(guān)信號(hào)。而且，一旦器件進(jìn)入常規(guī)充電器模式，該IC的MPPT功能便可幫助將太陽(yáng)能電池穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上，從而可從太陽(yáng)能電池中提取最理想的電源。

法拉電容充電電路圖（七）

快充電路工作原理

圖 1 為基于反激變換器的超級(jí)電容快速充電電路拓?fù)浼翱刂瓶驁D。包括輸入整流橋，反激變壓器，串聯(lián)在原邊的開(kāi)關(guān)器件，副邊續(xù)流二極管，電流傳感器，副邊隔離電壓檢測(cè)及控制 PWM 信號(hào)產(chǎn)生電路。與傳統(tǒng)的反激電路相比，該超級(jí)電容快速充電電路去除了輸入端濾波電解電容，增加了電路的可靠性;將電流檢測(cè)電阻改為磁耦合檢測(cè)，降低損耗，并且可以同時(shí)檢測(cè)變壓器原邊和副邊電流，用以限制副邊充電電流;副邊電壓隔離檢測(cè)，用以控制超級(jí)電容充電截至電壓。主電路工作原理基本上與反激電路原理類(lèi)似，但是控制電路結(jié)合超級(jí)電容初充電特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿足超級(jí)電容初次充電時(shí)長(zhǎng)時(shí)間短路限流充電的要求。

圖 2 中 A 為電流檢測(cè)（Current Sensor）波形。用與變壓器相同的比例檢測(cè)原邊電流和變壓器副邊電流，由于變壓器原副邊與匝比成反比，檢測(cè)電流成為連續(xù)的電流波形。電壓比較器（Voltage Comparator），將檢測(cè)電流值與限幅值 Limit1 比較，當(dāng)原邊電流值》=限幅值 Limit1 時(shí)，產(chǎn)生信號(hào) B，以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷功率管。

控制電路

如果在整流輸出側(cè)接入電解電容，可以得到穩(wěn)定的直流輸入電壓。由于鋁電解電容可能存在失效問(wèn)題，以及壽命限制，使電路穩(wěn)定性及工作壽命受到一定的影響，因此在快速充電電路中避免使用輸入鋁電解電容。將經(jīng)過(guò)整流之后的脈動(dòng)直流電壓，作為上限幅值Limit1 的參照，使輸入電流跟隨輸入電壓的波動(dòng)調(diào)整，可以提高輸入功率因數(shù)。若將下限幅值 Limit2 設(shè)置為0，可使功率因數(shù)得到進(jìn)一步的提高，但會(huì)增加輸出電流紋波量。

控制電路原理圖如圖 所示?？刂齐娐酚?a target="_blank">運(yùn)算放大器 LM358、比較器 LM393 和 RS 觸發(fā)芯片 CD4043等構(gòu)成。采用與變壓器相同匝比的互感器進(jìn)行電流檢測(cè)，互感器的同名端與反激變壓器一致。電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò) LM358 調(diào)理后與電流限幅值 Limit1 與 Limit2進(jìn)行比較。二個(gè)比較器的輸出經(jīng)過(guò)觸發(fā)器 RS4043 鎖存后作為 MOSFET 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸出側(cè)電壓檢測(cè)作為充電終止信號(hào)，控制 CD4043 使能端。