如何使用MAX17701设计超级电容快速充电器

超级电容器（也称为超级电容器）具有高功率能力，使其成为需要高电流短充电和放电周期的应用的理想选择。在本应用说明中，我们将展示自动托盘穿梭车的实用设计。在此应用中，快速充电可由基于同步降压超级电容器充电器控制器的灵活、高效、高电压和高电流充电器提供。

介绍

超级电容器（也称为超级电容器）与其他储能介质相比具有独特的优势，并且越来越多地用于各种应用。

与普通电容器相比，超级电容器可以容纳大量能量。它们还具有非常高的功率密度，允许相对于电池进行较大的充电和放电电流。与电池不同，超级电容器的工作电压低至0V，并且不会受到过放电的影响。这些特性使超级电容器成为需要快速充电和放电的应用的正确选择。我们将介绍一个概念性的快速超级电容充电器设计，使用MAX17701作为现代仓库中的自动通道载体（或托盘穿梭车）。

超级电容器特性

首先，让我们来看看超级电容器的一些关键特性。与电池不同，超级电容器基于静电原理工作，没有化学反应，避免了与电池化学储存相关的高内阻和寿命问题。

超级电容器也称为双层电容器（EDLC），通过在电极-电解质界面处插入电荷形成双层电荷来存储电能，从而实现比普通电容器更高的储能能力。超级电容器的主要特性如下：

高功率输出，能够以大电流快速充电/放电

低内阻，低充放电损耗

完全放电至 0V

充电和放电数千次。使用寿命长达 40 年，具体取决于工作温度和施加电压

普通电容器通常由两块金属板组成，由绝缘体（如空气或塑料薄膜）隔开。在充电过程中，电子积聚在一根导体上并离开另一根导体。一方获得负电荷，而另一侧建立正电荷。负电荷对正电荷的自然拉力通过绝缘体产生电场并存储能量。

超级电容器还包含两块金属板，仅涂有称为活性炭的多孔材料。它们浸入由溶解在溶剂中的正离子和负离子制成的电解质中。一个板是正极，另一个是负极。超级电容器通过在形成双层电荷的电极-电解质界面插入电荷来储存电能，因此得名双层电容器。电荷通过静电引力物理沉积，从而产生快速的充放电动力学、高功率密度和长生命周期（因为与电池不同不涉及化学反应）。1,2

用于自动通道载体的快速超级电容器充电器设计

在由一个或多个货架单元组成的现代存储设施中，它由不同楼层的大量通道组成，可存储数千个托盘。对于每一层，转运车服务于存储通道（X 轨道），而电动自动通道托架在其中移动（轨道 Y），见图 1。通道载体（穿梭车）是使用超级电容器作为主要电力来源的理想应用。超级电容器在转运车上几秒钟内快速充电。通道内的自主穿梭飞行仅持续几秒钟，每次飞行所需的能量有限，由超级电容器提供。当穿梭车停靠在提供24VDC电源的转运车上时，超级电容器会充电。班车始终可用，并且可以连续运行，24/7。

图1.在一个存储层中转移汽车和过道托架（班车）。

设计规范

通道载体充电/放电规格：

通道载波电机（和其他电路）最大功率要求，嘴唇：12V 在 5A

通道托架在通道中的最长工作时间，tC：5 秒

转运车上的通道托架最短停靠时间，tD：10 秒

转运车上的电源，VS： 24V 直流 ±10%

超级电容器组，C，预期寿命：>10年

图2.转运车和过道托架动力系统图。

选择和确定超级电容器的工作范围

我们将从输出功率要求开始，P或为 12V x 5A = 60W。在允许85%升压转换器效率的情况下，我们需要升压转换器的输入功率为60W/85% = 70.6W。因此，超级电容器模块所需的能量为 E = 70.6W x tC= 每次穿梭运行的最大 353J。

超级电容器组有 3 节串联电池，总额定工作电压为 9V。允许90%的电压降额以延长超级电容器的使用寿命，最大充电电压为9V x 90% = 8.1V （V。.MAX).这将使电容器组在15°C工作温度下的使用寿命为40年，如图3所示。超级电容器组必须具有适当的电池平衡电路，以实现全电压降额优势。

图3.AVX-SCC 超级电容器预期寿命与电压降额和温度的关系3.

即使超级电容器可以放电低至 0V，升压 DC-DC 工作电压范围也仅允许在低至 2.7V （V最低).现在，我们可以确定所需的电容：

C = 2 x E / (VMAX2 – VMIN2), or C = 2 x 353J / (8.1V2 – 2.7V2) = 12F

使用三个SCCV40E506SRB串联，每个50F，这提供了15F。该数字已经考虑了-10%的电容初始容差，并提供了额外的25%容量裕量。

设计超级电容器充电器

充电器必须在 15 秒或更短的时间内将这个 2F 超级电容器从 7.8V 充电至 1.10V。我们可以计算充电电流IC，如下所示：

IC = C x dV/dt = 15F x (8.1V - 2.7V)/10s = 8.1A

选择我C= 10A，为充电电流和电压容差留出足够的裕量。还值得注意的是，这个 10A 电流远不及所选超级电容器的额定电流，其峰值电流限制额定值为 37.5A。相对于峰值额定电流的低充电电流意味着电容器的内部热量相对较低。

采用MAX17701的快速超级电容器充电器电路

MAX17701为高效、高压喜马拉雅同步、降压、超级电容充电器控制器，设计工作在4.5V至60V输入电压范围。该器件以 ±4% 精度的恒定电流为超级电容器充电，该恒定电流是可编程的。超级电容器充电后，器件以±1%的精度调节空载输出电压。输出电压可在 1.25V 至 （VDCIN - 2.1V） 范围内进行编程。MAX17701是本应用中快速超级电容充电器的理想选择。

除许多其他特性外，MAX17701还提供安全定时器（TMR）功能，用于设置允许的最大恒流（CC）模式充电时间。该器件具有一个非专用比较器，可用于检测输出过压事件 （OVI） 并防止超级电容器过度充电。让我们来看看其中的一些功能，并将它们适当地设置为我们的自动通道载体快速超级电容器充电器设计。

图4是使用MAX17701的充电器的简化原理图。

图4.转运车和过道载波电力系统参数图计算。

开关频率设定

RT/SYNC 是开关频率编程/同步输入。我们将保持RT/SYNC在默认的350kHz频率下处于打开状态。开关频率可在 125kHz 至 2.2MHz 范围内调节，并可与一个外部时钟同步。较高的开关频率会减小输出LC滤波器的尺寸，但会降低效率。请参考MAX17701数据资料了解更多详情。

工作输入电压设置

输入电源为 24VDC ± 10%。让我们再给它 10% 的裕量，因此我们将充电器的最低工作电压设置为 19.2V。EN/UVLO 引脚为使能/欠压闭锁输入，上升门限为 1.25V。请参考MAX17701数据资料中的设置输入欠压锁定电平（EN/UVLO）部分，计算电阻分压器R6和R7值。

CC 模式充电电流设置 （ILIM）

让我们在RS上使用50mV的（VCSP - VCSN），以获得±4%的充电电流精度。我们的目标充电电流ICHGMAX（或IC）为10A。

RS = (VCSP - VCSN)/I = 50mV/10A = 5mO

VILIM = 30 × RS × ICHGMAX = 30 x 5mO x 10A = 1.5V

该值可以通过将ILIM直接连接到VREF来方便地设置，而无需使用电阻分压器。

如图3所示，在电流检测信号路径中连接一个R-C滤波器，以衰减开关噪声，同时保持精度和带宽。R-C滤波器转折频率应为开关频率的5倍。推荐的滤波电阻（R5）为40O，对电流检测精度的影响最小。

C5 = 1/(2p x R1 x 5 x fSW) = 1/(2p x 40O x 5 x 350kHz) = 2.3nF

让我们使用 C5 = 2.2nF，它是最接近的标准值。

安全定时器设置

安全定时器 （TMR） 功能用于设置允许的最大恒流 （CC） 模式充电时间。在我们的应用中，以15A电流将0F超级电容器从8至1.10V充电大约需要12秒。设置tSC_TMR至 18 秒，为定时器容差和裕量留出 50% 余量。如果充电在 CC 模式下停留超过 18 秒，充电器将关闭，然后在 4 x t 后重新启动SC_TMR，或 52 秒后。

使用以下公式计算 CTMR对于所需的 TSC_TMR:

CTMR = 1.15 × （tSC_TMR/（2 × 32767） - 1.2μ） × 10μA/（1.5V - 0.96V） = 5.8nF;
其中：
tSC_TMR= 所需的安全计时器超时设置（以秒为单位）。
CTMR= 以法拉为单位的 TMR 电容器。
让我们使用 CTMR= 6.8nF，这是最接近的标准电容值。

输出调节电压设置

请参阅数据表中的输出电压和电压调节环路（FB）设置部分，计算R1和R2值，将我们的应用输出电压调节设置为标称值8.1V。

输出过压设置

过压保护功能可以保护超级电容器组免于过度充电。如果 V这些超过 VOVI_TH，充电停止，充电器进入闭锁故障。请参考数据手册计算R3和R4值，将输出过压门限设置为9V。

选择输入短路保护 MOSFET

GATEN 引脚控制连接在电源 DCIN （VS）和 V在以防止超级电容器放电，如果 VS简称为 PGND。为额定电压为 3V 或更高、额定电流为 40A 或更高的 Q20 选择功率 MOSFET。VISHAY SIR826ADP MOSFET （80V/60A） 对于此应用来说绰绰有余。该 MOSFET 具有低 RDS（ON）最大限度地减少传导损耗，提高效率。

选择开关功率 MOSFET 和输出滤波器

在 350kHz 时，输入电压标称值为 24V，输出电压为 8.1V。在稳态恒压模式下，开关占空比约为34%，顶部开关导通时间为1μs。允许30%稳态输出电流纹波，我们需要输出滤波电感值为：

LO = (24V - 8.1V) x 1µs/3.3A = 4.8µH

L或最大输出电流为10A DC，峰峰值纹波电流为3.3A。选择具有足够额定电流的电感器。对于开关功率MOSFET，选择VISHAY SIR826ADP （80V/60A）作为Q1和Q2。

选择开关频率、输出滤波电感和开关功率MOSFET是解决方案效率、尺寸和成本的平衡。

结论

与其他储能介质相比，超级电容器具有独特的优势，并且越来越多地用于各种应用。超级电容器可以容纳大量能量并具有非常高的功率密度，允许较大的充电和放电电流。超级电容器是需要快速充电和放电的应用的正确选择，例如现代仓库中的自动通道载体。MAX17701是快速超级电容充电器设计的理想控制器。

审核编辑：郭婷