超级电容器在能量微观采集中的应用

能量微观采集应用（如无线传感器节点）需要定期突发功率，远远超出大多数环境源的稳定状态。在这方面，超级电容器提供非常适合能量收集环境的性能特征。通过将超级电容器与适当的电源和充电管理电路相结合，并使用包括凌力尔特公司，Maxim Integrated和德州仪器在内的制造商的专用器件，工程师可以在具有苛刻峰值功率要求的应用中利用微采集技术。

电化学双层电容器（EDLC）或超级电容器能够在几秒钟内释放数十甚至数百毫安的电流。例如，对于无线传感器节点应用，该功率输出完全在无线通信突发的峰值需求范围内。超级电容器的有效充放电循环使其非常适合无线传感器节点等突发型应用。同样，它们有效的充电/放电特性使它们非常适合微观收割应用的特殊需求，这些应用必须在长时间没有环境能量耗尽所有车载电荷存储设备后定期“冷启动”。这里，在微收获电路首先对用于为自举过程的后续阶段供电的自举超级电容器充电之后，顺序地重新激励完整的应用电路。

典型的微观收割应用使用超级电容器作为唯一的存储设备，或者作为峰值或冷启动要求的补充存储（图1）。对于负载管理，需要DC/DC转换器来维持负载的稳定电源电压，因为超级电容器的电压输出与超级电容器上的电荷成线性比例。工程师通常会使用具有低压差的降压 - 升压转换器，以便在负载下电荷水平下降时从超级电容中提取最大功率。

图1：在典型的微采集应用中，诸如薄膜电池的存储设备通常提供一致的电源。超级电容器通过为峰值功率需求提供现成能源来增强这些设计。 （德州仪器公司提供。）

在充电阶段，工程师需要重新考虑传统方法。例如，用于防止太阳能应用中的反向电流的二极管将使超级电容器充电阈值升高二极管压降量。类似地，使用电压调节器可以消除二极管压降并提供较低的充电阈值，但是当超级电容器接近耗尽时会出现问题，此时它会显示为短路。结果，调节器将电流降低到相应的低水平 - 并且显着增加超级电容器的充电时间。在使用多个超级电容器的系统中，这些因素变得更加复杂，其中需要电荷平衡以确保可靠的充电。同时，这些看似简单的充电管理方法实际上使维持太阳能电池，压电或其他能量源换能器所需的最大功率点跟踪（MPPT）方法复杂化，其动态变化的IV点对应于换能器的最大功率输出。

可用设备

工程师可以选择专门设计的各种设备，以管理微观收获应用中超级电容器充电管理的独特要求。例如，凌力尔特公司将其LTC3588作为完整的能量收集电源提供，为超级电容器等大型存储设备充电提供功能（图2）。除其他功能外，LTC3588还将降压转换器与交流电源（如压电传感器）所需的全波桥式整流器相结合，但也可以收集纯直流电源。该器件具有欠压锁定（UVLO）模式，允许电荷累积在存储电容上，直到降压转换器需要开启以为负载供电。

图2：工程师可以使用Linear LTC3588实现完整的超级电容器电源，由环境太阳能供电，只需几个附加组件。 （由Linear Technology提供。）

在运行中，当Vin上升到UVLO上升阈值以上时，LTC3588开启其降压转换器。降压转换器然后将电荷从输入电容传输到输出电容。相反，当输入电容电压低于UVLO下降阈值时，降压转换器被禁用。由于在UVLO中禁用降压转换器，LTC3588的功耗约为450 nA，因此LTC3588可支持从极低功率源采集能量。通过这种方法，设计可以将收集的能量存储在输入电容器或输出电容器上。虽然电流仅限于降压转换器在输入电容上的电源供应能力，但工程师可以使用更大的输出电容来支持更大的电流。

德州仪器（TI）BQ25504 IC采用升压转换器，旨在确保能量输入源的能量收集低至80 mV。 BQ25504使用脉冲频率调制（PFM），将输入电压VIN_DC调节到接近所需的参考电压，该电压通过每16秒采样一次能量采集器的开路电压预设值来设定。工程师可以使用电阻器将此比率设置为适当的值 - 对于太阳能收集器通常为0.8。因为太阳能电池的最大功率点大约是其开路电压的80％，所以这种机制提供了一种简单但准确的MPPT形式。

在操作中，器件将采样的参考电压保持在VREF_SAMP上。当输入电压超过VREF_SAMP时，器件通过其VSTOR引脚将电荷从输入传输到负载，从而保持输入电压调节（和最大功率点）。工程师可以将超级电容器连接到器件的VBAT引脚，并依靠BQ25504的内部电路来优化超级电容器的充电。

Maxim MAX17710同样依赖于内部升压转换器，允许从低至0.75 V的输入源对超级电容器充电.LDO线性稳压器独立管理负载的输出电压，可选择低功耗模式，旨在最大限度地提高存储容量。超级电容器或其他存储设备。在工作时，只要输入源电压（引脚CHG）超过BATT上的电压，MAX17710就会将电流直接传递给超级电容（引脚BATT） - 无需器件进一步干预。当CHG电压超过CHG使能阈值（VCE）时，器件会限制充电电压以防止过充电，并使LDO能够开始为应用负载供电。