在嵌入式设计中用超级电容器取代化学电池存储

在某些应用中，超级电容器正在成为电池储能的可能替代品。然而，超级电容器提供的主要优点必须与一些显着的缺点相平衡。
   
从好的方面来说，超级电容器的寿命几乎无限，约为 10,000,000 次充电/放电循环，并且可以以超过 1,000 安培的惊人电流进行充电和放电。它们在很大程度上也不受温度变化的影响。然而，它们在能量密度或成本方面无法与电池竞争：超级电容器通常只能提供锂离子电池能量密度的 3-5%，而成本却高出 10 至 15 倍。

然而，在某些应用中，其优势甚至超过了这些限制。但超级电容器在如何充电和回收能量方面也面临着两个重大的设计挑战。充电时，面临的挑战是在电容器完全放电时将能量转移到电容器（实际上呈现短路），而随着电容器的使用，回收能量也变得越来越困难。电压接近0V。克服这两个挑战是有效使用超级电容器替代电池存储的主要障碍。

图1：基于SMPS的恒流充电器

充电挑战
   
线性充电器在给完全放电的电容器充电时会消耗很大一部分能量。然后，当电容器充电时，损失的能量比例较小，更多的能量进入电容器。加上电容器吸收的功率和充电器中消耗的功率，在整个充电周期中，充电器实际上会以热量的形式消耗一半以上的可用能量。事实上，线性充电器将近 58% 的可用充电能量以热量的形式丢弃。
   
另一种充电选择是使用基于开关模式电源 (SMPS) 的系统，其中输出电容器电压和源电压之间的差通过电感器下降。在电压调节 SMPS 设计中（上图 1），电感器电流由输出电容器两端的电压与固定参考电压之间的差值驱动。然后，该差值电压被放大、积分和相移，然后反馈到脉宽调制 (PWM) 比较器。
   
然后，PWM 比较器使用该电压来确定在下一个周期中流过电感器的电流量。通常，通过精心设计，SMPS 电路可以实现大于 80-90% 的转换效率。
   
在充电器电路中，在恒定输出电压下运行的时间非常少。根据定义，充电器电路设计为在将电容器电压从零升至终电压的同时完成大部分工作。正是在充电期间，需要优化能量传输。
   
充电电路需要一个能够独立于输出电压调节电容器充电电流的系统，并且仅使用电压反馈作为确定充电何时完成的手段。图 1 显示了如何使用典型 SMPS 设计的变化来实现这一点。这里，通过将电感器中的电流与两个固定水平进行比较来调节电感器中的电流；一个处于所需电流，另一个处于电流。
   
初，由于电感器两端的电压处于值，因此电感器从电流上升到电流所需的时间非常短。放电时间会相应更长，因为电感必须放电到相对较小的电压。然而，随着电容器中的电荷增加，电压差将下降，从而增加斜坡上升时间，并且电容器电压将上升，从而缩短放电时间。
   
虽然可以使用传统的时基驱动 PWM 来实现类似的功能，但电感器的选择对于维持电流水平至关重要。此外，当占空比大于 50% 时，可能会出现不稳定现象。避免这种不稳定的一个简单解决方案是使用松弛振荡器、555Timer 式系统，使用两个比较器和一个 SR 触发器，以便电感器组件值设置频率。