在本系列的前面部分中，我們回顧了太陽能電池的性能、如何選擇和尺寸超級電容器、超級電容器充電電路的要求和充電 IC 特性。我們現(xiàn)在將使用兩個案例研究來詳細說明這些屬性。
案例研究 1：在 100 勒克斯的低光照條件下，在室內使用小型太陽能電池為使用 CAP-XX GA109 的藍牙低功耗傳感器供電
在這種情況下，我們使用了在低至 100 勒克斯的室內光線下運行的低功耗 BLE 傳感器。傳感器只在有光的情況下工作，因此超級電容只需要支持數(shù)據(jù)采集和傳輸即可。
我們使用 Sensor Puck BLE 傳感器每秒向手機應用報告溫度、相對濕度和光照水平。傳感器最大-最小電源電壓范圍為 3.0V 至 2.0V，因此我們將使用最大電池電壓 = 2.5V 的單節(jié)超級電容器。顯示了傳感器采集和傳輸數(shù)據(jù)時的電流和電壓波形。1ms 持續(xù)時間內的峰值電流約為 22mA，而持續(xù)突發(fā)在 12ms 內的平均電流為 4.5mA，在脈沖結束時有一個 5mA 的小峰值。顯示此電流為 >> 峰值功率點處 260μA 的太陽能電池電流。在這種情況下，我們選擇了 CAP-XX GA109 超級電容器，180mF，40mΩ。這是一種小型棱柱形超級電容器，可實現(xiàn)纖細而有吸引力的工業(yè)設計。
22mA 峰值結束時的壓降 = 22mA × 1ms/180mF + 22mA × 40mΩ = 1mV。
12ms、4.5mA 脈沖結束時的壓降，結束時有 5mA 的峰值 = 4.5mA × 120ms/180mF + 5mA × 20mΩ = 5mV。顯示了約 6mV 脈沖上的電壓降，這證實了計算。這是一個微不足道的下降，使 GA109 能夠支持 Sensor Puck 進行多次傳輸。圖還顯示了 Sensor Puck 每秒傳輸一次，超級電容器電壓在傳輸之間略有衰減。這是因為太陽能電池的充電功率 < 傳感器每秒傳輸一次的平均功率。
為了使系統(tǒng)可持續(xù)，負載功率必須限制在太陽能電池充電功率。我們通過在超級電容器和傳感器之間包含一個帶滯后的比較器 U1 來控制 FET M1 來做到這一點。當超級電容器達到 2.4V 時，M1 開啟，使傳感器運行。當超級電容器放電至 2.2V 時，M1 關閉，斷開傳感器并使超級電容器重新充電至 2.4V。 顯示了我們的充電電路，五個太陽能電池串并聯(lián)為 AEM10940 為超級電容器充電。
現(xiàn)在，由于我們要斷開 BLE 傳感器的電源以調節(jié)平均負載功率，因此當傳感器打開時，它將重新初始化。這在 2.1 秒內平均消耗 12mA。GA109 初始化期間的壓降 = 2.1s × 10mA/180mF + 12mA x 40mΩ = 117mV。我們的 200mV 遲滯允許 GA109 支持傳感器初始化以及多個傳輸突發(fā)。
顯示了該電路在 100 勒克斯下為超級電容器充電并保持傳輸?shù)挠行浴?00 勒克斯是非?；璋档墓饩€，不足以閱讀，說明即使在這種光線不足的情況下，太陽能電池解決方案也是可行的。
在如此低的光照條件下，GA109 超級電容器從 0V 開始充電需要 45 小時，然后在傳感器提供傳輸脈沖串后重新充電需要 2.6 小時。設計人員可以通過在安裝時對超級電容器進行預充電來克服緩慢的初始充電時間。顯示了系統(tǒng)在合理的光照下如何有效地工作。650 勒克斯是光線充足的辦公室、超市或工廠車間的光照水平。在 650 勒克斯下，太陽能電池的功率剛剛超過 0.4mW。GA109 從 0V 充電僅需 31 分鐘，在提供傳輸突發(fā)后為超級電容器重新充電僅需 2 分鐘 5 秒。傳感器開啟時間的 2.9 秒持續(xù)時間表明 GA109 支持初始化，然后是傳輸突發(fā)。
本案例研究展示了小型太陽能電池和高效充電 IC 如何為超級電容器充電，以支持低功耗傳感器采集和傳輸。e-peas AM10940 是一款高效 IC，即使太陽能電池僅提供 150μW 的功率，它也可以為超級電容器充電，并且在太陽能電池功率增加到略高于 400μW 的情況下，充電效率更高。GA109 是一款小巧纖薄的超級電容器，具有足夠的 C 和低 ESR，可以構建不顯眼的傳感器，適用于可穿戴設備或注重外觀的室內環(huán)境。
下載文檔
