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法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解) - 全文

2018年02月02日 09:52 网络整理 作者: 用户评论(0

法拉电容也是超级电容。超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,其容量可达几百至上千法拉,与传统电容器相比:它具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命;而与蓄电池相比:它又具有较高的比功率,且对环境无污染,因此可以说,超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。法拉电容器的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也有称作“电容电池”。法拉电容器属于双电层电容器,它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

法拉电容应用电路图(一)

法拉电容在RAM数据保护中的应用

当电源正常时,5 V电源VCC通过快速整流二极管D1给RAM(U2:UT6264)供电,并通过R1给法拉电容(C1:FM0H104Z)充电。掉电时,D1截止,法拉电容C1作为备份电源,通过R1为U2供电,保证RAM中数据不消失。

在掉电过程中或电源出现波动时,为了增强RAM数据的安全性,采用了专用电源监控芯片(U3:IMP706),提供系统的监控功能。上电、掉电和电网电压过低时会输出复位信号,同时还能跟踪1.6 s的定时信号,为软件运行提供看门狗定时器(watchdog TImer)防护。当电源电压掉至约4.74 V时,U3向CPU(U1:AT89S52)输出掉电信号(PW_DN),CPU进行掉电应急处理和保护现场,不向RAM芯片进行任何读写操作。当电源电压进一步掉至4.4 V时,U3产生复位信号,CPU被复位,同时RAM芯片U2的片选引脚CE2也被置为低电平,确保U2不被读写操作。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

图1 电路原理图

法拉电容应用电路图(二)

4只2.7V 100F超级电容串联电路示例:使用MOS管进行外部扩流

由于2.7V 100F电容容量大,同时需要大电流进行充放电,这时需要更大功率的泄放电路才能更好地保证电容单体不过压,进而保护超级电容模组的工作安全。本示例核心采用BW6101+外部扩流MOS+大功率电阻,由于BW6101内部MOS管可靠地泄放电流为200毫安,所以更大的泄放电流必须由外部来完成,本电路可以允许几安培的泄放电路,如果需要几十安培以上的泄放电流,那么需要更换大功率MOS管及更大功率的电阻。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

法拉电容应用电路图(三)

在该应用中,于正常操作期间将两个串联超级电容器充电至 5V,以在主电源出现故障时提供所需的后备电源。只要主电源接入,LTC3536 就将处于静态电流非常低的突发模式 (Burst Mode) 操作,从而最大限度地减少后备存储电容器的电量消耗。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

法拉电容应用电路图(四)

LT3741 是一款固定频率、同步降压型DC/DC 控制器,专为准确地调节高达20A 的输出电流而设计。平均电流模式控制器将在一个0V 至(VIN - 2V) 的宽输出电压范围内保持电感器电流调节作用。已调电流由CTRL 引脚上的一个模拟电压和一个外部检测电阻器来设定。LT3741 运用了一种独特的拓扑结构,因而能够供应和吸收电流。已调电压和过压保护功能电路利用一个连接在输出端和FB 引脚之间的分压器来设定。开关频率可通过一个外部电阻器或利用一个外部时钟信号在200kHz 至1MHz 的范围内进行设置。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

法拉电容应用电路图(五)

通过太阳能电池为超级电容器充电的最简单方法是使用二极管。在普通光照条件下,即使考虑到二极管造成的损耗,超级电容器也可充电到太阳能电池的开路电压。图1是超级电容器在二极管帮助下充电的原理图。大多数系统都需要一个辅助过压保护电路,以保护超级电容器以及后续的负载电子设备。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

图1:使用二极管为超级电容器充电的原理图

这种解决方案的简捷性使之常为低成本太阳能附件选用。但是这种方法有许多不足之处。首先,它只能用于多体太阳能电池,太阳能电池的开路电压高于超级电容器的过压限值或所需的负载电压。输出低电压的热电采集器不能使用这种方法为蓄能元件充电。

另外,该电路将太阳能电池稳压在蓄电介质电压以上的一个二极管压降上。这就意味着蓄电介质上的电压根据负载条件变化时,太阳能电池的稳压点也会随之移动。对于具有宽泛放电曲线的蓄电池或者电压可随负载需求发生明显变化的超级电容器而言,这并非理想的解决方案,因为太阳能电池的电压调整在远离其最大功率点的位置。大多数低功耗电子系统中所需的辅助过压保护电路也会消耗静态电流,其可在低光照期间影响系统效率。

二极管充电的不足可使用专门用于与能源采集设备配套使用的集成电路克服。这类器件之一即为bq25504。这是一款超低静态电流充电器IC,可对所连接的能源采集器进行最大功率点跟踪(MPPT)。图3是如何使用该器件为超级电容器充电的示意图,为了清楚起见,图中只显示了必用的引脚。电阻器ROV1与ROV2用于设置超级电容器的过压阈值。电阻器ROK1、ROK2与ROK3用于设置VBAT_OK信号的上下阈值,其可用于控制系统负载,以防超级电容器过度放电。太阳能电池与引脚VIN_DC相连。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

图3:使用升压充电器IC为超级电容器充电的原理图

由于超级电容器在过长时间没有采集能源输入时,通常会一直放电到0V,因此系统需要从蓄能电容器完全放空的情况下启动。大多数专用能源采集充电器IC都具有冷启动特性,只要输入电源电压高于一定水平,就能启动为处于完全放电状态的蓄能元件充电。本例中电压值为330mV。

使用升压充电器IC为超级电容器充电的优势之一在于能够使用单体或双体太阳能电池,与多体太阳能电池相比,其可为相同的太阳能电池面积提供更大的平均电源。该款内建过压保护电路的 IC 有助于保护超级电容器及负载电子设备。用户可编程型VBAT_OK电平可用于向负载电路发出开关信号。而且,一旦器件进入常规充电器模式,该IC的MPPT功能便可帮助将太阳能电池稳定在最大功率点上,从而可从太阳能电池中提取最理想的电源。

法拉电容应用电路图(六)

快充电路工作原理

图 1 为基于反激变换器的超级电容快速充电电路拓扑及控制框图。包括输入整流桥,反激变压器,串联在原边的开关器件,副边续流二极管,电流传感器,副边隔离电压检测及控制 PWM 信号产生电路。与传统的反激电路相比,该超级电容快速充电电路去除了输入端滤波电解电容,增加了电路的可靠性;将电流检测电阻改为磁耦合检测,降低损耗,并且可以同时检测变压器原边和副边电流,用以限制副边充电电流;副边电压隔离检测,用以控制超级电容充电截至电压。主电路工作原理基本上与反激电路原理类似,但是控制电路结合超级电容初充电特性进行了设计,以满足超级电容初次充电时长时间短路限流充电的要求。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

图 2 中 A 为电流检测(Current Sensor)波形。用与变压器相同的比例检测原边电流和变压器副边电流,由于变压器原副边与匝比成反比,检测电流成为连续的电流波形。电压比较器(Voltage Comparator),将检测电流值与限幅值 Limit1 比较,当原边电流值》=限幅值 Limit1 时,产生信号 B,以产生驱动信号关断功率管。

控制电路

如果在整流输出侧接入电解电容,可以得到稳定的直流输入电压。由于铝电解电容可能存在失效问题,以及寿命限制,使电路稳定性及工作寿命受到一定的影响,因此在快速充电电路中避免使用输入铝电解电容。将经过整流之后的脉动直流电压,作为上限幅值Limit1 的参照,使输入电流跟随输入电压的波动调整,可以提高输入功率因数。若将下限幅值 Limit2 设置为0,可使功率因数得到进一步的提高,但会增加输出电流纹波量。

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

控制电路原理图如图 所示。控制电路由运算放大器 LM358、比较器 LM393 和 RS 触发芯片 CD4043等构成。采用与变压器相同匝比的互感器进行电流检测,互感器的同名端与反激变压器一致。电流检测信号经过 LM358 调理后与电流限幅值 Limit1 与 Limit2进行比较。二个比较器的输出经过触发器 RS4043 锁存后作为 MOSFET 管驱动信号。输出侧电压检测作为充电终止信号,控制 CD4043 使能端。

法拉电容应用电路图(七)

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

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

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 的输入电压范围内运作,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、单个电阻器或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。

法拉电容应用电路图(八)

LTR3741组成的5V,20A超级电容充电电路

法拉电容应用电路图大全(八款模拟电路设计原理图详解)

图 LTR3741 5V稳压输出的20A超电容充电器电路图

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( 发表人:沈丹 )

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