超级电容器充电器选择

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 超级电容器具有以下特性：

长寿命：超级电容器采用静电原理工作，不会发生化学反应，从而避免了与电池化学储存相关的寿命问题。它们的高耐用性可实现数百万次充电/放电循环，使用寿命长达 20 年，比电池高出一个数量级。

低阻抗：它们的低阻抗可在几秒钟内实现快速充电和放电。这一点，加上它们长时间保持电量的中等能力，使超级电容器成为需要短充电和放电循环的应用的理想选择。

1  Preface

解决超级电容器充电问题：

  • 放完电的超级电容器充电压力。
  • 实现CC/CV 充电的原理
  • 快速充电大电流问题
  • 充电器需要过压保护能力
  • 超级电容器电池均衡问题

超级电容器 (或超级电容器) 凭借其相对于电池的独特优势，在各种应用中的使用率越来越高。它们还可以与电池并联使用，用于在负载转换期间需要瞬时峰值功率传输的应用中。

超级电容器的短充电和放电周期要求充电器能够处理大电流。充电器必须在充电期间以恒定电流 (CC) 模式平稳工作（通常从 0V 开始），并在达到最终输出值后以恒定电压 (CV) 模式工作。在高压应用中，许多超级电容器串联连接，要求充电器能够管理高输入和输出电压。

超级电容由于其充电次数，更好的瞬态性能，更简单的充电管理以及更少的环境污染，在很多应用中越来越受欢迎。多个电容单体（2.7V）串联往往需要buck-boost充电拓扑来实现电源的充电管理。

2      Introduction

大多数超级电容器可放电至 0V，并使用制造商建议的充电电流重新充电至其最大电压。一个具有恒定电流的简单 电压调节 LED 驱动器，通常通过感应低侧串联电流检测电阻器进行调节，然后可使用电压钳位为超级电容器充电。

但是，使用可提供输出电压和电流调节以及输入功率调节、温度感应、热调节和其他安全功能的专用充电 IC可实现更精确、更安全的充电。此外，没有串联检测电阻会产生不良的压降，尤其是在放电期间。此文提供了使用专用超级电容器充电器或经简单修改的锂离子电池充电器为超级电容器充电的设计。超级电容器充电关键问题和实施， 请参考超级电容充电曲线

  • TREG稳压

使用完全放电的超级电容器，初始阶段，超级电容器相当于短路，充电电路最初会将电流直接发送到接地端。此时DCDC长工作在过流模式，转换器内核温度达到热调节，充电电路以大幅降低但缓慢增加的电流运行。或者，充电电路可能会由于内核温度故障而在改变占空比时打开和关闭。此时超级电容接口如果带有热插拔保护电路，此时对热插拔保护电路的高边MOSFET考验非常大。如果初始降低的充电电流未知或缓慢增加到超过高达电压 V1 的热调节，则充电时间可能难以预测。

  • 快冲（CC）：

电压达到V1 一般5V左右，超级电容器电压以及充电电路工作在恒流充电阶段，因此电容器将以所需的恒定（快速或最大）充电电流 ICHG 充电，直到达到并保持在恒定电压 (CV) 调节电压 VREG。通过 CV 调节，可以全面利用超级电容器的容量。

通过重新排列 i = C × dv/dt 来得到 dt = C × (VREG-V1)/ICHG，可以估算 CC 模式下的充电时间。

  • 浮充（CV）

此时超级电容器进入CV充电阶段，电流逐渐减小，直至以最小的电流充电以保持电压稳定。小电流用以补偿超级电容的漏电电流。

3      充电方法

3.1        基于线性的超级电容器充电器（小功率）

以TI BQ25173为例，仅基于线性稳压器的降压充电器非常适合符合以下要求的应用：

  • 输入电压高于 VREG。
  • ICHG 很低，通常 < 1.0A
  • 超级电容器的电容较低或充电时间不重要
  • 系统负载可直接连接到超级电容器

  bq25173Sheet                                 BQ25173 充电原理图

bq25173curve

                                  

              图2 BQ25173 充电电流为800mA, 将10F超级电容器充电至5.5V的充电周期

请注意周期开始时热降低的充电电流。当超级电容器电压达到稳压电压的 98% 时，STAT 引脚变为低电平。充电器保持在 CV，以使超级电容器电压保持在 5V。

3.2 基于开关模式降压转换器的超级电容器充电器

在以下情况下，需要使用降压开关模式超级电容器充电器：

  • 输入电压高于 VREG。
  • ICHG 较高，通常 > 1.0A
  • 超级电容器的电容很高或需要快速充电
  • 系统负载可直接连接到超级电容器

参考 TI BQ24640 降压充电曲线BQ24640curve

  • 保护FET过热

为保护功率FET,当超级电容电压低于2.1V时,ISET引脚被钳位至 600mV。对于 10m 欧姆电流检测电阻（SRP 和 SRN 引脚之间的电阻器）, 即使 ISET 引脚设置更高的 ICHG，此钳位也会将最大充电电流限制为3A。

  • 浮充（漏电补偿）

BQ24640 上禁用了终止功能，因此当超级电容器充满电时，STAT 引脚（上面未显示）不会改变状态。转换器无限期地以 CV 模式运行，以使超级电容器保持充电至 5V 的状态。

4 修改锂离子充电器以为超级电容器充电

4.1 锂电池充电特性

由于市场上锂离子充电器的选择非常广泛，因此使用锂离子充电器为超级电容器充电似乎是合理的。锂离子充电曲线如图 所示。

lionCurve

锂离子电池充电曲线

  • Trickle charge(<2.6V)

小电流涓流充电，。如果电池包保护器因电池深度放电而开路或 BAT 引脚上没有存储元件，则充电器提供 100mA 范围内的小涓流充电以缓慢地升高电池包电压至单节电池到2.6V

  • 预充(2.6-3V)

充电器必须以 100mA 至 800mA 范围内的低预充电电流充电，直到电池通常达到3.0V

  • 恒流快充（CC）

以设置最大电流充电。

  • 恒压浮充（CV）

随着电池电压上升，充电电流逐渐减小，直至CV超时或充电过压。

  • 停止充电

锂电池充电器须要充电停止功能，防止锂电池过充损坏电池的使用寿命

4.2        使用锂离子降压/升压充电器为超级电容器充电

以TI BQ25798 为例：

  • 需要使用单个充电器 IC 在锂离子电池和超级电容器充电之间切换（使用主机软件更改充电设置）。
  • 充电器的输入电压可以高于或低于 VREG。
  • 1.0A < ICHG < 5.0A
  • 超级电容器的电容为中高或需要快速充电
  • 取消涓流充电：

BATREG = 5.0V 时，VBAT_LOWV 随后为 0.75V，低于 VBAT_SHORTZ = 2.5V。因此，充电器旁路预充电并直接从涓流充电转换为快速充电。为了帮助在 V(BAT) =V(CAP) < 2.5V 时为充电器提供 100mA 涓流充电电流，在SYS和BAT 之间添加了一个具有热调节功能的限流开关 TPS25221，以加快电容器充电。由于 TPS25221 最小输入电压为 2.5V，BQ25798 最小系统电压必须设置为至少 2.5V 的最小值。较高的最小系统电压设置会导致开关上的损耗增加。主机可以在超级电容器电压达到 2.5V 后禁用开关。

5      使用有外部FET的升降压控制器为超级电容器充电

通过修改集成 FET，在以下情况下，最好使用主机控制的

  • 充电器的输入电压可以高于或低于 VREG。
  • ICHG 为高电平，通常 > 3.0A
  • 超级电容器的电容非常高或需要非常短的充电时间

与许多充电器不同，具有外部 FET 的 BQ25713/30 系列降压/升压充电控制器不提供涓流充电。此外，即使是 NVDC 充电器，BQ25713/30 也具有 I2C 寄存器，允许用户禁用最小系统电压，从而实现预充电阶段和 BAT 引脚短路保护。在禁用最小系统电压的情况下，始充电期间 BATFET 两端的电压将最小化。如果需要最小系统电压，则可以启用控制器的最小系统电压并将其设置为系统的最低可接受值，从而更大限度地降低 BATFET 上的损耗。

5.1        加速充电过程

锂电池的预充电过程不同，超级电容可以直接快速充电，从而减少充电时间，可以采取如下两种方式来减小芯片自带的预充过程，

  • 使用更低的检流电阻Rsr=2mOhm.

默认是10 mOhm，相当于提升5倍的预充电流。

  • 去使能LDO 模式

为了保证芯片的最小工作电压，在预充过程充，BATFET处于LDO模式下，采用旁路模式也能加快充电速度，但会牺牲一部分系统电压范围。 

BQ25798 Plus TPS25221 超级电容器和锂离子充电参考设计方框图

       充电器需要一个最小输出电压（大约 2V）来提供一个给定的充电电流，所以 V(SYS)

被保持在这个电平，直到 V(BAT) = V(CAP) 上升至 V(SYS)。最初，BATFET 中的功率损耗很高但缓慢下降(PL(MAX) = 2V * ICHG)。用户必须选择能够安全处理此功率耗散的 BATFET，尤其是在其充电电流较高时

5.2 兼容0.5A小电流USB输入

当输入电源的电流能力有限，而充电电流很高时会有拉低输入电压的风险，需要动态的配置充电电流，防止系统电压过低导致的系统崩溃。BQ25703A的DPM模式能灵活地设置输入功率限制，动态地的分配实时的充电电流，保证输入电压恒定。

6. 被动均衡电路

为了防止单体过充或者欠充，需要加入主动或者被动均衡，在保证功耗的基础上，被动均衡的电路简单，成本更低。

7 硬件过充保护

当软件崩溃或者程序错误设置时，需要硬件的保护来防止电压过冲而引起的危险。使用内部比较器并结合芯片本身的HIZ模式可以强制保护充电电压低于设置的安全门限值。

图10 HIZ 硬件过压保护

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