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高能效比電容供電電路設(shè)計分析

發(fā)布時間:2012-03-12

中心議題:

  • 高能效比電容供電電路設(shè)計

解決方案:


使用超級電容器(supercapacitor)并在便攜式微功率應(yīng)用中取代電池這一概念的發(fā)展勢頭越來越猛。事實(shí)上,它已成為時下更引人注目的技術(shù)趨勢之一。  

當(dāng)把諸如Maxwell Technologies的BOOSTCAP和Elna的DYNACAP等超級電容用作電源時,它們具有比傳統(tǒng)可充電電池大得多的優(yōu)勢。例如,它們對短路具有很強(qiáng)抵抗力、充電周期很短以及實(shí)際上幾近無限的充放電次數(shù)(可達(dá)100萬次,而充電電池才1000次),從而提供了一種環(huán)保、“沒有一次性器件”的方案。此外,大多數(shù)超級電容滿足歐盟對有害物質(zhì)(RoHS)方面的使用限制。  

從設(shè)計角度看,超級電容和電池的根本區(qū)別在于電容器在充/放電周期發(fā)生的顯著電壓變化。充電時,理論上,電容器的電壓從零上升到其最高額定電壓,而電池的端電壓在其工作周期中變化很小。超級電容是電子電容器的一個子集??赏ㄟ^下式得出能從超級電容放電周期中(放電周期是指電容器的端電壓從其最大值VMAX變?yōu)樽畹凸ぷ麟妷篤MIN的過程)獲得的有效能量EEFF:  

EEFF = 1/2 × C × ( V2MAX – V2MIN) (1)  

相應(yīng)地,有效能量比(EER)可定義為:  

EEFF/ EMAX = 1–(VMIN/VMAX)2 (2)  

其中EMAX代表電容器存儲的總能量。等式2明確表明,隨著我們通過減少電容器內(nèi)的駐留電能,而降低了被供電電路的最低工作電壓VMIN,有效能效比可獲得極大地提升。對任何以電容供電的電路來說,能效比都是一個非常重要的設(shè)計考慮?! ?br />  


當(dāng)電路內(nèi)電子器件的最低工作電壓VMIN從3.6V降為1V時,能效比從48%提高到96%。因此,對于電容供電電路的設(shè)計來說,“擠壓器件的工作電壓”是首先要考慮的問題?! ?br />
使用超低功率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器(如參考文獻(xiàn)2所述的無電感型轉(zhuǎn)換器,其工作電壓可低至0.7 V)可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),但它可能會增加設(shè)計成本和功耗。另一種選擇是使用針對超低電壓器件工作而研制的專用設(shè)計技術(shù)。  

參考文獻(xiàn)3介紹的就是這樣一種低壓電路設(shè)計的好例子。建議采用的微功率、超低電壓、全頻、無二極管整流器就非常適合電容供電的電路(圖2)?! ?br />  


圖2:最簡單的無二極管精精密全波整流器采用單個軌至軌運(yùn)算放大器和三個匹配的電阻?! ?/p>

[page]
為把握電路的工作原理,請務(wù)必注意:運(yùn)算放大器工作在單電源模式。若將正信號加到輸入端(VIN> 0),運(yùn)算放大器的輸出就變?yōu)榱?,此時整個電路實(shí)際上轉(zhuǎn)變成一個簡單的由三個電阻(R1、R2和R3)串聯(lián)的無源網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)輸入信號為負(fù)時,運(yùn)算放大器恢復(fù)“正常線性狀態(tài)”并作為常規(guī)反相放大器工作。為產(chǎn)生對稱的正半波和負(fù)半波輸出,R1、R2和R3的值必須要滿足如下條件:  

R1 × R3 = R2 × (R1 + R2 + R3) (3)  

在滿足等式3的條件下,電路在點(diǎn)2具有1/2的增益??商砑右粋€增益為2的非反相放大器以得到一致的整體增益,從而實(shí)現(xiàn)工作等式VOUT=|VIN|。  

該電路具有一定局限性:其正負(fù)半波的輸入阻抗不同。理論上,正半波的阻抗是R1+R2+R3,而負(fù)半波的僅為R1。此外,運(yùn)算放大器的輸入寄生電容(CP)會影響交流工作模式,尤其是在高頻范圍。(交流性能的詳細(xì)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本文范圍。我建議在實(shí)際設(shè)計中采用Spice仿真)?! ?br />  


該電路可采用多種軌至軌微功率運(yùn)算放大器,例如:美國國家半導(dǎo)體的雙LM*2(VMIN= 1.8 V);美信集成產(chǎn)品的雙MAX 4289(VMIN=1.0V);或相似類型的產(chǎn)品?! ?br />
由于典型的硅二極管具有約0.6V的正向壓降,因此其輸出動態(tài)范圍要從電源電壓中減去這0.6V。在構(gòu)建電容供電電路(其中電路電源電壓應(yīng)盡可能的低)時,這一考慮已變得相當(dāng)重要?;谶@個原因,建議采用的無二極管設(shè)計方案更適合電容供電模式。它節(jié)省了寶貴的0.6V電壓(考慮到運(yùn)算放大器可工作在1V的這種可能性,0.6V的確非常有價值),從而降低了電路的最低工作電壓,進(jìn)而提高了方案的整體能效比。

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