法拉電容也是超級(jí)電容。超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置，其容量可達(dá)幾百至上千法拉，與傳統(tǒng)電容器相比：它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長(zhǎng)的使用壽命；而與蓄電池相比：它又具有較高的比功率，且對(duì)環(huán)境無污染，因此可以說，超級(jí)電容器是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置。法拉電容器的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對(duì)外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。法拉電容器屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。

法拉電容應(yīng)用電路圖（一）

法拉電容在RAM數(shù)據(jù)保護(hù)中的應(yīng)用

當(dāng)電源正常時(shí)，5 V電源VCC通過快速整流二極管D1給RAM（U2：UT6264）供電，并通過R1給法拉電容（C1：FM0H104Z）充電。掉電時(shí)，D1截止，法拉電容C1作為備份電源，通過R1為U2供電，保證RAM中數(shù)據(jù)不消失。

在掉電過程中或電源出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，為了增強(qiáng)RAM數(shù)據(jù)的安全性，采用了專用電源監(jiān)控芯片（U3：IMP706），提供系統(tǒng)的監(jiān)控功能。上電、掉電和電網(wǎng)電壓過低時(shí)會(huì)輸出復(fù)位信號(hào)，同時(shí)還能跟蹤1.6 s的定時(shí)信號(hào)，為軟件運(yùn)行提供看門狗定時(shí)器（watchdog timer）防護(hù)。當(dāng)電源電壓掉至約4.74 V時(shí)，U3向CPU（U1：AT89S52）輸出掉電信號(hào)（PW_DN），CPU進(jìn)行掉電應(yīng)急處理和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，不向RAM芯片進(jìn)行任何讀寫操作。當(dāng)電源電壓進(jìn)一步掉至4.4 V時(shí)，U3產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，CPU被復(fù)位，同時(shí)RAM芯片U2的片選引腳CE2也被置為低電平，確保U2不被讀寫操作。

圖1 電路原理圖

法拉電容應(yīng)用電路圖（二）

4只2.7V 100F超級(jí)電容串聯(lián)電路示例：使用MOS管進(jìn)行外部擴(kuò)流

由于2.7V 100F電容容量大，同時(shí)需要大電流進(jìn)行充放電，這時(shí)需要更大功率的泄放電路才能更好地保證電容單體不過壓，進(jìn)而保護(hù)超級(jí)電容模組的工作安全。本示例核心采用BW6101+外部擴(kuò)流MOS+大功率電阻，由于BW6101內(nèi)部MOS管可靠地泄放電流為200毫安，所以更大的泄放電流必須由外部來完成，本電路可以允許幾安培的泄放電路，如果需要幾十安培以上的泄放電流，那么需要更換大功率MOS管及更大功率的電阻。

法拉電容應(yīng)用電路圖（三）

在該應(yīng)用中，于正常操作期間將兩個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器充電至 5V，以在主電源出現(xiàn)故障時(shí)提供所需的后備電源。只要主電源接入，LTC3536 就將處于靜態(tài)電流非常低的突發(fā)模式 （Burst Mode） 操作，從而最大限度地減少后備存儲(chǔ)電容器的電量消耗。

法拉電容應(yīng)用電路圖（四）

LT3741 是一款固定頻率、同步降壓型DC/DC 控制器，專為準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)高達(dá)20A 的輸出電流而設(shè)計(jì)。平均電流模式控制器將在一個(gè)0V 至（VIN - 2V） 的寬輸出電壓范圍內(nèi)保持電感器電流調(diào)節(jié)作用。已調(diào)電流由CTRL 引腳上的一個(gè)模擬電壓和一個(gè)外部檢測(cè)電阻器來設(shè)定。LT3741 運(yùn)用了一種獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而能夠供應(yīng)和吸收電流。已調(diào)電壓和過壓保護(hù)功能電路利用一個(gè)連接在輸出端和FB 引腳之間的分壓器來設(shè)定。開關(guān)頻率可通過一個(gè)外部電阻器或利用一個(gè)外部時(shí)鐘信號(hào)在200kHz 至1MHz 的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。

法拉電容應(yīng)用電路圖（五）

通過太陽能電池為超級(jí)電容器充電的最簡(jiǎn)單方法是使用二極管。在普通光照條件下，即使考慮到二極管造成的損耗，超級(jí)電容器也可充電到太陽能電池的開路電壓。圖1是超級(jí)電容器在二極管幫助下充電的原理圖。大多數(shù)系統(tǒng)都需要一個(gè)輔助過壓保護(hù)電路，以保護(hù)超級(jí)電容器以及后續(xù)的負(fù)載電子設(shè)備。

圖1：使用二極管為超級(jí)電容器充電的原理圖

這種解決方案的簡(jiǎn)捷性使之常為低成本太陽能附件選用。但是這種方法有許多不足之處。首先，它只能用于多體太陽能電池，太陽能電池的開路電壓高于超級(jí)電容器的過壓限值或所需的負(fù)載電壓。輸出低電壓的熱電采集器不能使用這種方法為蓄能元件充電。

另外，該電路將太陽能電池穩(wěn)壓在蓄電介質(zhì)電壓以上的一個(gè)二極管壓降上。這就意味著蓄電介質(zhì)上的電壓根據(jù)負(fù)載條件變化時(shí)，太陽能電池的穩(wěn)壓點(diǎn)也會(huì)隨之移動(dòng)。對(duì)于具有寬泛放電曲線的蓄電池或者電壓可隨負(fù)載需求發(fā)生明顯變化的超級(jí)電容器而言，這并非理想的解決方案，因?yàn)樘柲茈姵氐碾妷赫{(diào)整在遠(yuǎn)離其最大功率點(diǎn)的位置。大多數(shù)低功耗電子系統(tǒng)中所需的輔助過壓保護(hù)電路也會(huì)消耗靜態(tài)電流，其可在低光照期間影響系統(tǒng)效率。

二極管充電的不足可使用專門用于與能源采集設(shè)備配套使用的集成電路克服。這類器件之一即為bq25504。這是一款超低靜態(tài)電流充電器IC，可對(duì)所連接的能源采集器進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。圖3是如何使用該器件為超級(jí)電容器充電的示意圖，為了清楚起見，圖中只顯示了必用的引腳。電阻器ROV1與ROV2用于設(shè)置超級(jí)電容器的過壓閾值。電阻器ROK1、ROK2與ROK3用于設(shè)置VBAT_OK信號(hào)的上下閾值，其可用于控制系統(tǒng)負(fù)載，以防超級(jí)電容器過度放電。太陽能電池與引腳VIN_DC相連。

圖3：使用升壓充電器IC為超級(jí)電容器充電的原理圖

由于超級(jí)電容器在過長(zhǎng)時(shí)間沒有采集能源輸入時(shí)，通常會(huì)一直放電到0V，因此系統(tǒng)需要從蓄能電容器完全放空的情況下啟動(dòng)。大多數(shù)專用能源采集充電器IC都具有冷啟動(dòng)特性，只要輸入電源電壓高于一定水平，就能啟動(dòng)為處于完全放電狀態(tài)的蓄能元件充電。本例中電壓值為330mV。

使用升壓充電器IC為超級(jí)電容器充電的優(yōu)勢(shì)之一在于能夠使用單體或雙體太陽能電池，與多體太陽能電池相比，其可為相同的太陽能電池面積提供更大的平均電源。該款內(nèi)建過壓保護(hù)電路的 IC 有助于保護(hù)超級(jí)電容器及負(fù)載電子設(shè)備。用戶可編程型VBAT_OK電平可用于向負(fù)載電路發(fā)出開關(guān)信號(hào)。而且，一旦器件進(jìn)入常規(guī)充電器模式，該IC的MPPT功能便可幫助將太陽能電池穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上，從而可從太陽能電池中提取最理想的電源。

法拉電容應(yīng)用電路圖（六）

快充電路工作原理

圖 1 為基于反激變換器的超級(jí)電容快速充電電路拓?fù)浼翱刂瓶驁D。包括輸入整流橋，反激變壓器，串聯(lián)在原邊的開關(guān)器件，副邊續(xù)流二極管，電流傳感器，副邊隔離電壓檢測(cè)及控制 PWM 信號(hào)產(chǎn)生電路。與傳統(tǒng)的反激電路相比，該超級(jí)電容快速充電電路去除了輸入端濾波電解電容，增加了電路的可靠性;將電流檢測(cè)電阻改為磁耦合檢測(cè)，降低損耗，并且可以同時(shí)檢測(cè)變壓器原邊和副邊電流，用以限制副邊充電電流;副邊電壓隔離檢測(cè)，用以控制超級(jí)電容充電截至電壓。主電路工作原理基本上與反激電路原理類似，但是控制電路結(jié)合超級(jí)電容初充電特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿足超級(jí)電容初次充電時(shí)長(zhǎng)時(shí)間短路限流充電的要求。

圖 2 中 A 為電流檢測(cè)（Current Sensor）波形。用與變壓器相同的比例檢測(cè)原邊電流和變壓器副邊電流，由于變壓器原副邊與匝比成反比，檢測(cè)電流成為連續(xù)的電流波形。電壓比較器（Voltage Comparator），將檢測(cè)電流值與限幅值 Limit1 比較，當(dāng)原邊電流值》=限幅值 Limit1 時(shí)，產(chǎn)生信號(hào) B，以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷功率管。

控制電路

如果在整流輸出側(cè)接入電解電容，可以得到穩(wěn)定的直流輸入電壓。由于鋁電解電容可能存在失效問題，以及壽命限制，使電路穩(wěn)定性及工作壽命受到一定的影響，因此在快速充電電路中避免使用輸入鋁電解電容。將經(jīng)過整流之后的脈動(dòng)直流電壓，作為上限幅值Limit1 的參照，使輸入電流跟隨輸入電壓的波動(dòng)調(diào)整，可以提高輸入功率因數(shù)。若將下限幅值 Limit2 設(shè)置為0，可使功率因數(shù)得到進(jìn)一步的提高，但會(huì)增加輸出電流紋波量。

控制電路原理圖如圖 所示?？刂齐娐酚?a target="_blank">運(yùn)算放大器 LM358、比較器 LM393 和 RS 觸發(fā)芯片 CD4043等構(gòu)成。采用與變壓器相同匝比的互感器進(jìn)行電流檢測(cè)，互感器的同名端與反激變壓器一致。電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過 LM358 調(diào)理后與電流限幅值 Limit1 與 Limit2進(jìn)行比較。二個(gè)比較器的輸出經(jīng)過觸發(fā)器 RS4043 鎖存后作為 MOSFET 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸出側(cè)電壓檢測(cè)作為充電終止信號(hào)，控制 CD4043 使能端。

法拉電容應(yīng)用電路圖（七）

本電路圖是關(guān)于36VIN、5.6A、兩節(jié)2.5V 串聯(lián)超級(jí)電容器充電器電路連接圖

LTM8026 是一款 36VIN、5A 恒定電壓、恒定電流 （CVCC） 降壓型 μModule? 穩(wěn)壓器。封裝中內(nèi)置了開關(guān)控制器、電源開關(guān)、電感器以及支持組件。LTM8026 可在一個(gè) 6V 至 36V 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，可支持 1.2V 至 24V 的輸出電壓范圍。CVCC 操作使 LTM8026 能在整個(gè)輸出范圍內(nèi)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)其高達(dá) 5A 的輸出電流。輸出電流可利用一個(gè)控制電壓、單個(gè)電阻器或一個(gè)熱敏電阻來設(shè)定。僅需采用負(fù)責(zé)設(shè)定輸出電壓和頻率的電阻器以及大容量的輸入和輸出濾波電容器便可實(shí)現(xiàn)完整的設(shè)計(jì)。

法拉電容應(yīng)用電路圖（八）

LTR3741組成的5V，20A超級(jí)電容充電電路

圖 LTR3741 5V穩(wěn)壓輸出的20A超電容充電器電路圖