超级电容与小型能量采集源的结合2 电容, 超级

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微发电机很适合于工业控制应用，如监控旋转的机器，因为机器在工作时会发生振动。图4给出了一只微发电机的电压-电流特性，它类似于一只太阳能电池芯，能够为一个短接电路提供最大的电流。微发电机还带有一个二极管桥，可防止超级电容为发电机反向充电，这就得到了一个简单的充电电路(图5)。





图5，微发电机包括一个二极管桥，防止超级电容反充电给发电机，这就得到了一个简单的充电电路。




开路电压为8.5V，需要一个双芯的超级电容，如CAP-XX HZ202，它的工作电压为5.5V。并联稳压器提供了过压保护，一个小电流主动均衡电路可确保各电容芯之间的平均分配。凌力尔特技术公司的LT3652、LTC3108和LTC3625 IC以及德州仪器公司的BQ25504一起，由能量采集源为超级电容充电。

泄漏电流

由于有些能量采集器只能提供数微安的电流，因此泄漏电流就变得很关键。超级电容泄漏电流可以小于1μA，因此适合于能量采集应用(图6)。




图6，根据经验，室温下CAP-XX超级电容的均衡泄漏电流为1μA/F。




当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值，该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1μA/F。图6中的150mF电容，在160小时后的泄漏电流为0.2μA和0.3μA。泄漏电流随温度升高而呈指数上升。当温度升高时，稳定到均衡值的时间会减小，因为离子扩散的速度更快。因此，这些电容从0V充电需要的时间最小。根据不同的超级电容，这个电流范围从5μA~50μA。设计者在为能量采集电路挑选超级电容时，应考虑测试这个最小充电电流。

芯均衡

对于要求超级电容端子电压大于芯额定电压的电路，要将多只超级电容芯串联，以达到额定电压，如5V或12V。这种情况下，就需要采用一个芯均衡电路，否则，某只电容芯就可能进入过压状况，因为所有的电容芯的泄漏电流都有所差异，有不同的电压-泄漏电流特性。但因为它们是串联的，所以它们必须有相同的泄漏电流。为实现这个目标，各电容芯会在各自之间重新分配电荷；这样，某个电容芯就可能进入过压状态。电容芯处于不同温度下或以不同速率随时间老化时，可能会加重这个问题。最简单的均衡电路是每个芯并联一只电阻。根据超级电容的泄漏电流以及工作温度，电阻值通常在1kΩ~50kΩ之间，但对大多数能量采集应用来说，通过均衡电路的泄漏电流太高。能量采集应用的较好办法是采用一种小电流的有源均衡电路(图7)。




图7，小电流有源均衡电路可用于能量采集应用。