高能效比電容供電電路實現(xiàn)

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。

　　當電路內(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。

　　使用超低功率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器(如參考文獻2所述的無電感型轉(zhuǎn)換器，其工作電壓可低至0.7 V)可實現(xiàn)該目標，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)。

　　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算放大器和三個匹配的電阻。

　　為把握電路的工作原理，請務(wù)必注意：運算放大器工作在單電源模式。若將正信號加到輸入端(VIN> 0)，運算放大器的輸出就變?yōu)榱?，此時整個電路實際上轉(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)。當輸入信號為負時，運算放大器恢復“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，從而實現(xiàn)工作等式VOUT=|VIN|。

　　該電路具有一定局限性：其正負半波的輸入阻抗不同。理論上，正半波的阻抗是R1+R2+R3，而負半波的僅為R1。此外，運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。(交流性能的詳細分析遠遠超出了本文范圍。我建議在實際設(shè)計中采用Spice仿真)。

　　該電路可采用多種軌至軌微功率運算放大器，例如：美國國家半導體的雙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。

　　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，進而提高了方案的整體能效比。