能量微觀采集應(yīng)用（如無線傳感器節(jié)點(diǎn)）需要定期突發(fā)功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大多數(shù)環(huán)境源的穩(wěn)定狀態(tài)。在這方面，超級電容器提供非常適合能量收集環(huán)境的性能特征。通過將超級電容器與適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源和充電管理電路相結(jié)合，并使用包括凌力爾特公司，Maxim Integrated和德州儀器在內(nèi)的制造商的專用器件，工程師可以在具有苛刻峰值功率要求的應(yīng)用中利用微采集技術(shù)。

電化學(xué)雙層電容器（EDLC）或超級電容器能夠在幾秒鐘內(nèi)釋放數(shù)十甚至數(shù)百毫安的電流。例如，對于無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，該功率輸出完全在無線通信突發(fā)的峰值需求范圍內(nèi)。超級電容器的有效充放電循環(huán)使其非常適合無線傳感器節(jié)點(diǎn)等突發(fā)型應(yīng)用。同樣，它們有效的充電/放電特性使它們非常適合微觀收割應(yīng)用的特殊需求，這些應(yīng)用必須在長時間沒有環(huán)境能量耗盡所有車載電荷存儲設(shè)備后定期“冷啟動”。這里，在微收獲電路首先對用于為自舉過程的后續(xù)階段供電的自舉超級電容器充電之后，順序地重新激勵完整的應(yīng)用電路。

典型的微觀收割應(yīng)用使用超級電容器作為唯一的存儲設(shè)備，或者作為峰值或冷啟動要求的補(bǔ)充存儲（圖1）。對于負(fù)載管理，需要DC/DC轉(zhuǎn)換器來維持負(fù)載的穩(wěn)定電源電壓，因?yàn)槌夒娙萜鞯碾妷狠敵雠c超級電容器上的電荷成線性比例。工程師通常會使用具有低壓差的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，以便在負(fù)載下電荷水平下降時從超級電容中提取最大功率。

圖1：在典型的微采集應(yīng)用中，諸如薄膜電池的存儲設(shè)備通常提供一致的電源。超級電容器通過為峰值功率需求提供現(xiàn)成能源來增強(qiáng)這些設(shè)計(jì)。 （德州儀器公司提供。）

在充電階段，工程師需要重新考慮傳統(tǒng)方法。例如，用于防止太陽能應(yīng)用中的反向電流的二極管將使超級電容器充電閾值升高二極管壓降量。類似地，使用電壓調(diào)節(jié)器可以消除二極管壓降并提供較低的充電閾值，但是當(dāng)超級電容器接近耗盡時會出現(xiàn)問題，此時它會顯示為短路。結(jié)果，調(diào)節(jié)器將電流降低到相應(yīng)的低水平 - 并且顯著增加超級電容器的充電時間。在使用多個超級電容器的系統(tǒng)中，這些因素變得更加復(fù)雜，其中需要電荷平衡以確保可靠的充電。同時，這些看似簡單的充電管理方法實(shí)際上使維持太陽能電池，壓電或其他能量源換能器所需的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方法復(fù)雜化，其動態(tài)變化的IV點(diǎn)對應(yīng)于換能器的最大功率輸出。

可用設(shè)備

工程師可以選擇專門設(shè)計(jì)的各種設(shè)備，以管理微觀收獲應(yīng)用中超級電容器充電管理的獨(dú)特要求。例如，凌力爾特公司將其LTC3588作為完整的能量收集電源提供，為超級電容器等大型存儲設(shè)備充電提供功能（圖2）。除其他功能外，LTC3588還將降壓轉(zhuǎn)換器與交流電源（如壓電傳感器）所需的全波橋式整流器相結(jié)合，但也可以收集純直流電源。該器件具有欠壓鎖定（UVLO）模式，允許電荷累積在存儲電容上，直到降壓轉(zhuǎn)換器需要開啟以為負(fù)載供電。

圖2：工程師可以使用Linear LTC3588實(shí)現(xiàn)完整的超級電容器電源，由環(huán)境太陽能供電，只需幾個附加組件。 （由Linear Technology提供。）

在運(yùn)行中，當(dāng)Vin上升到UVLO上升閾值以上時，LTC3588開啟其降壓轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器然后將電荷從輸入電容傳輸?shù)捷敵鲭娙荨Ｏ喾矗?dāng)輸入電容電壓低于UVLO下降閾值時，降壓轉(zhuǎn)換器被禁用。由于在UVLO中禁用降壓轉(zhuǎn)換器，LTC3588的功耗約為450 nA，因此LTC3588可支持從極低功率源采集能量。通過這種方法，設(shè)計(jì)可以將收集的能量存儲在輸入電容器或輸出電容器上。雖然電流僅限于降壓轉(zhuǎn)換器在輸入電容上的電源供應(yīng)能力，但工程師可以使用更大的輸出電容來支持更大的電流。

德州儀器（TI）BQ25504 IC采用升壓轉(zhuǎn)換器，旨在確保能量輸入源的能量收集低至80 mV。 BQ25504使用脈沖頻率調(diào)制（PFM），將輸入電壓VIN_DC調(diào)節(jié)到接近所需的參考電壓，該電壓通過每16秒采樣一次能量采集器的開路電壓預(yù)設(shè)值來設(shè)定。工程師可以使用電阻器將此比率設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹?- 對于太陽能收集器通常為0.8。因?yàn)樘柲茈姵氐淖畲蠊β庶c(diǎn)大約是其開路電壓的80％，所以這種機(jī)制提供了一種簡單但準(zhǔn)確的MPPT形式。

在操作中，器件將采樣的參考電壓保持在VREF_SAMP上。當(dāng)輸入電壓超過VREF_SAMP時，器件通過其VSTOR引腳將電荷從輸入傳輸?shù)截?fù)載，從而保持輸入電壓調(diào)節(jié)（和最大功率點(diǎn)）。工程師可以將超級電容器連接到器件的VBAT引腳，并依靠BQ25504的內(nèi)部電路來優(yōu)化超級電容器的充電。

Maxim MAX17710同樣依賴于內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器，允許從低至0.75 V的輸入源對超級電容器充電.LDO線性穩(wěn)壓器獨(dú)立管理負(fù)載的輸出電壓，可選擇低功耗模式，旨在最大限度地提高存儲容量。超級電容器或其他存儲設(shè)備。在工作時，只要輸入源電壓（引腳CHG）超過BATT上的電壓，MAX17710就會將電流直接傳遞給超級電容（引腳BATT） - 無需器件進(jìn)一步干預(yù)。當(dāng)CHG電壓超過CHG使能閾值（VCE）時，器件會限制充電電壓以防止過充電，并使LDO能夠開始為應(yīng)用負(fù)載供電。