超級電容（Supercapacitor [SC] 或ultracapacitor）亦稱雙電層電容（electric double-layer capacitor），目前越來越廣泛地用於各種電源管理係統。在汽車應用（如具有再生製動功能的起停係統）中，超級電容能夠提供使起動器齧合所需的能量，以重啟燃燒發動機，並接收在製動期間回收的動能。

chaojidianrongdeyoushizaiyuqichongfangdiancishuxianzhuduoyuchuantongqiansuandianchi，tongshinenggougengxunsudixishounengliangerbujianshaoqiyuqishouming。zhexietedianhaishichaojidianrongduigongyehoubeidianyuanxitong
、快速充電無繩電動工具和遠程傳感器具有吸引力，因為對這些應用來說，頻繁更換電池是不切實際的。

本ben文wen討tao論lun了le有you關guan為wei這zhe些xie大da電dian容rong充chong電dian的de挑tiao戰zhan
，並bing向xiang電dian源yuan係xi統tong設she計ji工gong程cheng師shi介jie紹shao了le如ru何he評ping估gu和he選xuan擇ze適shi合he後hou備bei能neng量liang存cun儲chu應ying用yong的de最zui佳jia係xi統tong配pei置zhi。文wen中zhong介jie紹shao了le一yi種zhong超chao級ji電dian容rong充chong電dian器qi解jie決jue方fang案an範fan例li，並bing提ti供gong了le波bo形xing和he詳xiang細xi解jie釋shi。

係統詳述

xuduoxitongpeizhidoushiyongchaojidianrongzuzuoweihoubeinengliangcunchuzujian。yikaishi，shejigongchengshixuyaoquedingqinengliangcunchupeizhimubiao，ranhoujuedingkeyongduodadianyalaicunchunengliang。jiejuefanganxuanzequjueyufuzaidegonglvhedianyayaoqiu，yijichaojidianrongdenenglianghedianyanengli。zaiquedinglezuijiajiejuefanganhou
，haibixuduizhengtixingnengyuchengbenjinxingpingheng。

圖1顯示了一種高效率解決方案的框圖，其中的負載是需要穩定輸入電壓（3.3V
、5V、12V等）的器件。48V主電源為正常工作的開關穩壓器2（SW2）供電
，同時通過開關穩壓器1（SW1）為超級電容組充電，使其電壓達到25V。當主電源斷開時
，超級電容組向SW2供電，以維持負載的連續運行。

係統設計和挑戰

選(xuan)定(ding)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)後(hou)，係(xi)統(tong)工(gong)程(cheng)師(shi)還(hai)必(bi)須(xu)選(xuan)擇(ze)為(wei)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)的(de)目(mu)標(biao)電(dian)壓(ya)，其(qi)根(gen)據(ju)是(shi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)定(ding)額(e)曲(qu)線(xian)。大(da)多(duo)數(shu)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)單(dan)元(yuan)的(de)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)為(wei)室(shi)溫(wen)下(xia)2.5V-3.3V，此(ci)額(e)定(ding)值(zhi)在(zai)更(geng)高(gao)溫(wen)度(du)時(shi)下(xia)降(jiang)

，隨(sui)之(zhi)帶(dai)來(lai)更(geng)長(chang)的(de)預(yu)期(qi)壽(shou)命(ming)。通(tong)常(chang)，充(chong)電(dian)目(mu)標(biao)電(dian)壓(ya)設(she)置(zhi)值(zhi)應(ying)低(di)於(yu)最(zui)大(da)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)，以(yi)延(yan)長(chang)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)的(de)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)。

接下來需要選擇超級電容組的預期電壓和SW2拓撲。超級電容組配置可為並聯、串聯或者並聯的串聯電容串組合。因為單元電容電壓額定值通常低於3.3V，且負載常常需要相等或更高的供電電壓
，所以針對電容單元配置和SW2的選項是，使用一個電容單元與一個升壓轉換器，或串聯的多個電容單元與一個降壓或降壓-升壓穩壓器。若使用升壓配置
，我們必須確保在超級電容放電時，電壓不會下降至低於SW2dezuixiaogongzuoshurudianya。gaidianyaxiajiangkenengduodachaojidianrongchongdiandianyadeyibanzhiduo，weici，womenjuyigeyouchuanlianchaojidianrongzuheheyigejiandanjiangyawenyaqi（SW1）組成的超級電容組的例子。然後，如果能量要求需要的話

，將並聯多個串聯電容串。

ruguoxuanzechaojidianrongdechuanlianzuhe，zebixugenjudianrongchuandingduandezuidayuqidianyalaixuanzesuoyongdianrongdanyuandeshumu。gengduodechuanliandianrongyiweizhechaojidianrongchuandedianrongzhigengxiaoerdianyagenggao。liru，jiashexuanzeshiyongliangchuanyousige2.7V 10F電容組成的電容串和由八個相同電容（串聯）zuchengdeyigedianrongchuan。suiranliangzhongpeizhikecunchuzongdianhehenengliangshixiangtongde
，dandianrongchuandekeyongdianyafanweishidangechuanlianchuanjuyouyoushi。liru，ruguoyouyigexuyao5V偏壓的負載，則SW2需要的電壓為6V左右（考慮到其最大占空比和其他壓差因素）。

●電容中的能量W=CV2/2，可用能量W= C/2(Vcharge2 - Vdicharge2)

●對於每串4個電容的兩個電容串，可用能量W = 2*[(10F/4)/2*((2.7V*4)2-6V2)] = 201.6J

●對於包含8個電容（串聯）的單個電容串，可用能量W = 1*[(10F/8)/2*((2.7V*8)2-6V2)] = 269.1J

因為兩個電容組可存儲相同的總能量，所以電壓較低的電容串的充電浪費/不可用百分比更大。在本例中
，優先選擇更高的電容串電壓，以充分利用超級電容。

第三個係統挑戰來自如何為超級電容組充電。一開始，當超級電容電壓為0時，由於高電容值，SW1 需要在類似輸出短路的條件下工作相當長時間。常規 SW1 可能陷於打嗝模式而無法為超級電容充電。為了保護超級電容和 SW1，在充電階段開始時需要附加的電流限製功能。一種令人滿意的解決方案是讓 SW1 在幾乎無輸出電壓的條件下提供加長時間的連續充電電流。

為超級電容充電有許多方法。恒定電流/恒定電壓（CICV）是常用的首選方法，如圖2（CIVE曲線）所示。在充電周期開始時，充電器件（SW1）在zai恒heng定ding電dian流liu模mo式shi下xia工gong作zuo，向xiang超chao級ji電dian容rong提ti供gong恒heng定ding電dian流liu，使shi得de其qi電dian壓ya呈cheng線xian性xing增zeng加jia。在zai超chao級ji電dian容rong充chong電dian至zhi目mu標biao電dian壓ya時shi，恒heng定ding電dian壓ya回hui路lu激ji活huo並bing準zhun確que地di控kong製zhi超chao級ji電dian容rong充chong電dian電dian平ping
，使shi之zhi保bao持chi恒heng定ding，以yi避bi免mian過guo度du充chong電dian。同tong樣yang

，該gai優you先xian解jie決jue方fang案an也ye提ti出chu了le對dui電dian源yuan管guan理li功gong能neng的de要yao求qiu
，需xu要yao在zai設she計ji中zhong加jia以yi考kao慮lv。


再以圖1為例，在48V主電源、25V超級電容組電壓以及3.3V、5V
、12V等負載電壓的情況下，為SW1和SW2選擇同步降壓功能是合適的。由於主要挑戰與超級電容充電有關，所以針對SW1的選擇非常重要。針對SW1的理想解決方案對電源管理功能的要求是能夠在高輸入（48V）和輸出（25V）電壓下工作，同時提供CICV調製功能。
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超級電容充電器解決方案範例

為說明超級電容充電行為，我們以同步降壓穩壓器為例。說明其關鍵問題和解決技術，並使用實驗波形來幫助理解。

圖3顯示了用Intersil的ISL78268控製的實現CICV模式的同步降壓穩壓器的簡化原理圖。為了在CICV控製下將超級電容組充電到25V，在選擇控製器時考慮了以下功能：

1. 能在VIN>= 48V和VOUT>= 25V條件下工作的同步降壓控製器。

2. 恒定電流和恒定電壓調節能力，可自動切換調節模式。

3. 在係統供電電壓範圍實現準確的電流感測輸入以實現CI模式。參考圖3，控製器可感測電感器的連續電流
，即充電電流。控製器的電流感測放大器必須能夠承受共模電壓
，在本例中為25V。

圖4顯示了ISL78268同步降壓控製器的一小部分功能框圖。如圖所示，有兩個獨立的誤差放大器，分別標記為Gm1和Gm2，用於實現恒定電壓（Gm1）和恒定電流（Gm2）。

誤差放大器Gm1用於CV閉環控製。它比較FB的反饋電壓與內部1.6V參考電壓，並在COMP引腳產生誤差電壓。FB引腳從輸出電壓連接至一個電阻分壓器，並設置為當輸出電壓為預期電壓水平時FB電壓為1.6V。於是COMP電壓即代表預期輸出電壓與實際輸出電壓之差。然後比較COMP與電感電流相比較，以生成PWM信號
，來控製輸出電壓，使之保持恒定。

誤差放大器Gm2用於CI閉環控製。它比較IMON/DE引腳電壓與內部1.6V參考電壓
，並在COMP引腳產生誤差電壓。IMON/DE引腳電壓是內部產生的，代表平均輸出電感電流負載值。因此，COMP電壓在Gm2回路激活時（Gm1和Gm2的輸出之間的二極管有效地選擇哪個回路是激活的）代表預期輸出電流與實際輸出電流之差。然後COMP與電感電流相比較
，以生成PWM信號，來控製輸出電壓，使之保持恒定。

在超級電容電壓達到目標電壓之前的充電階段，由Gm2的輸出來驅動COMP引腳
，產生PWM輸出，以實現CI控製。當超級電容電壓達到目標值時
，充電電流減小
，引起IMON/DE引腳電壓降低和CI回路斷開（當IMON/DE<1.6V時），於是CV回路自然地接管對COMP的控製
，從而保持輸出電壓恒定。

ISL78268降壓控製器既有峰值電流模式的PWM控製器（可靠的逐周期峰值電流調製器），也有非常適用於超級電容充電的外部恒定平均電流回路。

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現在
，我們可以重點介紹已實現的超級電容充電實現方案。圖5
、6和7顯示了由ISL78268控製，來為超級電容組（12節50F/2.7V串聯電容）充電的同步降壓控製器的實驗波形。超級電容將通過主電源充電至25V。


圖5顯示超級電容充電有多個階段。開始時，在第1階段，Vo幾乎為0。ISL78268的IMON/DE引腳上的平均電流信號還未達到1.6V（期望充電電流的參考值），所以CI回路還未接通（engage）。在此階段，電感器的峰值電流被逐周期限製於固定的OC閾值。在VOUT處於低水平（FB<0.4V）的充電階段開始時，開關頻率最大值被限製在50kHz，以預防所提到的因為低VOUT時的峰值電流限製而引起的電感器失控問題。

圖6顯示了第1階段的波形的放大圖。第2階段從IMON/DE引腳電壓（黃色跡線）達到1.6V時開始。在此階段，CI回路接通並拉低COMP信號（青色跡線），從而開始穩定輸出電流並使IMON/DE引腳電壓保持恒定。IMON/DE引腳電壓代表所感測的平均輸出電流信號。IL波形（綠色跡線）顯示平均電流在第2階段被控製為恒定水平。輸出電壓波形（粉色跡線）顯示超級電容被恒定充電電流以線性方式充電。


第3階段從FB引腳檢測到0.4V電壓開始（圖7）。該觸發之後恒定電流穩定回路將完全接通，所以開關頻率可自動調節至預編程的300kHz。在更高的開關頻率下，電感電流紋波（綠色跡線）顯著減小。輸出電壓（粉色跡線）繼續呈線性增加
，表示超級電容被線性充電。


回到圖5，第3階段一直到Vo達到25V的目標電壓時結束。此時，CV回路接通並穩定輸出電壓。平均電流回路斷開。圖5顯示輸出電壓（粉色跡線）趨平且電感電流降低。代表平均充電電流的IMON/DE引腳電流也下降
，表示恒定電流穩定過程結束。

結束語

超級電容由於其固有物理特征對比傳統電池具有的優勢在汽車、工gong業ye和he消xiao費fei產chan品pin中zhong被bei用yong作zuo能neng量liang存cun儲chu解jie決jue方fang案an。為wei使shi超chao級ji電dian容rong組zu的de可ke存cun儲chu能neng量liang最zui大da化hua，最zui佳jia方fang案an常chang常chang是shi串chuan聯lian多duo個ge超chao級ji電dian容rong單dan元yuan來lai實shi現xian高gao電dian容rong組zu電dian壓ya。充chong電dian時shi
，最zui好hao使shi用yongCICV方法來限製由於超級電容充電到恒定電壓期間的低ESR而er產chan生sheng的de高gao電dian流liu。恒heng定ding電dian流liu還hai可ke以yi使shi充chong電dian損sun耗hao可ke控kong製zhi
，這zhe可ke以yi減jian少shao所suo生sheng成cheng的de熱re量liang並bing延yan長chang超chao級ji電dian容rong的de壽shou命ming。因yin此ci
，讓rang充chong電dian電dian路lu容rong忍ren高gao電dian壓ya並bing提ti供gongCICV控製功能是有益的。

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