多模式超级电容充电电路设计.

论文题目：多模式超级电容充电电路设计

专业：微电子学

本科生：珏萱（签名）___________

指导教师：师之授（签名）___________

摘要

超级电容是一种介于传统电容器与蓄电池之间新型储能设备，具有可快速充电、大容量、工作温度范围宽、节能环保、寿命长等优点。因此各国都加大了对超级电容的研究力度，被广泛应用于消费电子、太阳能发电、后备电源等方面，尤其是在电动汽车领域的研究应用受到全球的广泛关注。如何快速高效的给超级电容进行充电，成为了新的研究的热点，本论文结合相关研究结果对多模式充电电路的整体设计方案进行了分析和设计。

目前对超级电容进行充电的方式主要有恒流充电、恒功率充电、恒流转恒压充电、脉冲电流充电以及恒压充电等。本论文结合国内外对超级电容充放电原理及特性的研究结果，设计了具有恒流、恒功率以及恒压三种组合转换模式的充电电路，硬件电路包括Buck变换电路、PWM波驱动控制电路、充电模式控制电路，在对超级电容进行充电的同时，通过采样电路，将采样信号反馈给控制电路，实现三种充电模式转换，这样可以有效的解决在单一充电模式下的不足之处，在一定程度上提高超级电容的充电效率。

对所设计的多模式充电电路的输出电流、输出电压等参数进行了测试，所得到的测试结果表明，多模式充电电路能够实现三种充电模式组合转换，达到预期的设计要求。

关键词：超级电容，Buck变换器，PWM，多模式充电

Subject: Multi-Mode Super capacitor charging circuit design

Specialty: Microelectronics Science and Engineering

Name: JueXuan (Signature) ___________ Instructor: ShiZhishou (Signature) ___________

ABSTRACT

Super capacitor is a range of new energy storage device between conventional capacitors and batteries, it has a fast charge, high-capacity, wide operating temperature range, energy saving, long life advantages. So countries have increased the research efforts of the super capacitor, it is widely used in consumer electronics, solar power, backup power and other aspects, especially all around the world is concerned about the field of electric vehicles application widely. How to quickly and efficiently charge the super capacitor, has become a new focus of research, this article combines research results on the multi-mode charging circuit design scheme and design are analyzed.

Currently the super capacitor is charged mainly constant current charging mode, constant power charge, the constant flow of constant voltage charging, pulse current charging and constant voltage charging. Currently the super capacitor is charged mainly constant current charging mode, constant power charge, the constant flow of constant voltage charging, pulse current charging and constant voltage charging. Hardware circuit includes a Buck conversion circuit, PWM wave drive control circuit, the charging mode control circuit, At the same time the super capacitor is charged, by sampling circuit, the sampling signal back to the control circuit, converting three charge modes, which can effectively solve the shortcomings in a single charging mode, to some extent, improve the super capacitor charging efficiency.

The design of multi-mode charging circuit output current, output voltage and other parameters were tested, the test Results show that the multi-mode charging circuit can achieve three charging modes to convert combination to achieve the desired design requirements.

Key words: super capacitance, buck converter, PWM, multi-mode charge

目录

第1章绪论 (5)

1.1 超级电容的研究背景及意义 (5)

1.2超级电容的研究现状及发展趋势 (5)

1.3 超级电容充放电原理 (6)

1.3.1双电层电容原理 (6)

1.3.2法拉第准电容原理 (7)

1.4超级电容的充电方式 (7)

1.4.1恒流充电 (8)

1.4.2 恒功率充电 (9)

1.4.3 恒压充电 (9)

1.5课题的研究内容 (10)

第2章多模式超级电容充电电路设计方案 (11)

2.1总体电路设计方案 (11)

2.2主电路设计案 (11)

2.2.1Buck变换器的组成 (11)

2.2.2Buck变换器工作原理 (12)

2.2.3 功率MOSFET工作原理 (12)

2.2.4 功率二极管工作原理 (13)

2.3多模式充电电路设计方案 (13)

2.3.1 充电模式控制电路原理 (14)

2.4PWM控制电路设计 (15)

2.4.1TL494引脚配置及其功能 (15)

2.4.2TL494外围电路的设计及原理 (16)

2.5 放电欠压保护电路设计 (17)

2.5.1 放电欠压保护电路工作原理 (17)

2.5.2TL431功能介绍 (18)

2.5.3LM2903功能介绍 (19)

2.5.4NMOSFET工作原理 (20)

2.6 本章小结 (20)

第3章硬件电路参数设计 (21)

3.1主电路器件参数设计 (21)

3.1.1Buck变换器开关管的选择 (21)

3.1.2Buck变换器储能电感的选择 (21)

3.1.3Buck变换器滤波电容的选择 (22)

3.1.4Buck变换器续流二极管的选择 (22)

3.2PWM驱动电路器件参数设计 (22)

3.3多模式充电电路器件参数设计 (24)

3.3.1 恒流充电电路参数计算 (24)

3.3.2 恒功率充电电路参数计算 (25)

3.3.3 恒压充电电路参数计算 (25)

3.3.4 放电欠压保护电路参数计算 (26)

3.5 本章小结 (27)

第4章电路调试与测试 (28)

4.1TL494输出测试 (28)

4.2 多模式充电电路输出测试 (31)

4.2.1 恒流充电结果测试 (31)

4.2.2 恒功率充电结果测试 (32)

4.2.3 恒压充电结果测试 (33)

4.2.2 放电欠压结果测试 (33)

4.3 本章小结 (34)

第5章结论与展望 (35)

5.1 结论 (35)

5.2 展望 (35)

5.3 心得体会 (35)

致谢 (37)

参考文献 (38)

附录 (39)

附录一整体电路图 (39)

附录二硬件测试环境 (41)

第1章绪论

1.1 超级电容的研究背景及意义

随着经济的发展，人口数量持续增长，人们对能源的需求量日益增加，但是传统化石能源的不可再生性，使得传统化石能源消耗殆尽已成必然趋势。而且近几年日益尖锐的环境污染问题已经引起了人们的高度重视。在这样的背景下超级电容应运而生，并以其无可替代的优越性，渐渐走进了人们视野，引起各国与社会组织的研究兴趣。

超级电容有着以下优点：

1.大容量。超级电容的容量为0.1～6000F，超级电容以2000～6000倍的容量差距将同体积的电解电容远远甩在身后。

2.充电速度快。充电到总充电量的95%所需的时间仅10秒～10分钟就可以完全实现。

3.循环寿命长。对超级电容的充放电原理的研究，可以发现在充放电阶段不会对电极材料的结构造成影响，循环次数不会影响电极材料的使用寿命。

4.功率密度高。瞬时提供大电流是超级电容的另一特点，10KW/kg的大功率密度，是电池的10到100倍。

5.温度范围宽。超级电容的温度范围在-40℃到70℃之间，发生在超级电容电极材料的反应收温度的影响较小。

6.无污染。超级电容所使用的材料是无毒性的，不会造成环境污染，而铅蓄电池、镍镉电池所使用的材料含有毒性。

正是因为这些优点使得超级电容被广泛应用于备用电源、存储再生能源、替代电源等不同的应用场景，在电力系统、消费性电子产品、通信、新能源汽车等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力。美国《探索》杂志在评选2006年度世界七大技术发现的时候将超级电容列入其中，称超级电容是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池[1]。

超级电容自问世以来，其全球需求迅速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。根据美国能源局测算，超级电容的市场容量从2007年的40亿美元增长到2013年的120亿美元，中国市场超级电容2013年则达到了31亿元人民币，巨大的利润以及市场潜力使得众多的公司更加积极的去研究超级电容[2]。

1.2超级电容的研究现状及发展趋势

目前关于超级电容的充电方式主要有恒流充电、恒功率充电、恒流转恒压充电、脉冲电流充电以及恒压充电等。比较简单的充电方法就是采用恒流充电[3]，设定的充电电流越大，所需的充电时间越短，能够实现快速充电。但它的缺点在于,如果充电电

流较小，充电时间就会比较长，如果设定的充电电流较大，充电时间能够被有效的缩短，但是到了充电后期，电容两端的电压较高，可能对超级电容造成一定的损伤，影响超级电容的使用，也会在一定程度上限制它的储能量[3]。恒压充电的最明显的优点便是可以很好的维持双电层平衡电势，有利于双电层的稳定形成。恒压充电刚开始时充电效率随着充电时间的增加而增加，但当充电效率达到一定时，充电效率随着充电时间的增加将会将低。恒功率充电能够有效的提高充电效率，缩短充电时间，但是其控制电路的实现比较复杂[3]。

充电方式对超级电容的充电效率、储能容量、充电时间等都有很大的影响。恒流充电效率高，但是在充电后期对超级电容的损害也不可忽视；恒压充电效率过低，充电时间长；恒功率充电控制电路复杂。所以可以采取组合充电的方式，来克服不同充电方式对超级电容性能的影响。

1.3 超级电容充放电原理

超级电容由电极（Electrode）、隔膜（Separator）、电解液（Electrolyte）等组成，其内部结构如图1.1所示。依照超级电容储能机理的不同，超级电容分为双电层电容（Electric double layer capacitor）与法拉第准电容（Pesudocapacitor）[5]。

图1.1超级电容内部结构

1.3.1双电层电容原理

双电层电容利用电极与电解质之间构成的界面双电层电容以实现储能，它的储能机理为双电层理论。双电层理论的内容是，在电极插入电解液时，电极表面的电荷会从溶液中吸引带异种电荷的离子，使它们在溶液/电极界面的溶液的那一侧排列，这样就会形成电荷数量和电极表面剩余电荷数量相等但是符号相反的界面层[1]。

双电层电容充放电过程如图1.2所示，在充电阶段，超级电容两端加上电压后，电解液中的正负离子会在电场的作用下向相反的正负极界面层移动，最终聚集在电解液和极

板界面上，形成双电层，同时产生电场，用以储存电荷。在放电阶段，正负极聚集的正负离子不断向外流动，正负离子电荷返回电解液中，电子流入外电路，向负载提供电能，实现能量的释放。由于双电层电容器在充放电阶段不会涉及到化学反应，只有电荷的转移与储存，且这种储能过程是可逆的，所以这种电容器的充放电次数会达到数十万次，比一般的可充电电池寿命更长。

图1.2双电层电容器充放电过程

1.3.2法拉第准电容原理

法拉第准电容是在电吸附过程中伴随有氧化还原反应而引发的电容，法拉第准电容通过两种方法来储存电荷：第一种是通过双电层存储机理来实现电荷的存储；第二种是电解液里的离子在电极活性物质中发生可逆的氧化还原反应将电荷储存起来[1]。

法拉第准电容的充放电原理是：利用外加电场的作用，将电解液中的离子扩散到溶液/电极的界面，之后经过界面的电化学反应，在电极表面实现离子吸附，进而储存电荷。如果电极材料的氧化物比表面积越大[4]，这种电化学反应就会发生更多，这样更多的电荷就会被储存在电极中；当外加电场不存在后，在电极表面吸附的离子就会发生脱附，离子回到电解液中，储存在电极表面的电荷就被释放出来[4]。

1.4超级电容的充电方式

本论文研究的超级电容是双电层电容，超级电容加上电压后，电容的两个极板就会构成电场，用来储存电荷，这和其他普通的电容一样，但是超级电容所使用的电极材料比较特殊，电极材料与电解液有极大接触面积，所以就会拥有超大容量，这也是超级电容之所以称之为超级电容的原因。本论文主要设计恒流充电、恒功率充电以及恒压充电三种充电方式对超级电容进行充电，充电方式的不同对超级电容的充电效率也会有影响。超级电容等效充电电路可以简化为如图1.3所示。

图1.3 超级电容器等效简化充电电路

根据等效充电电路可知输入电压为：

S C )()(IR t U t U += （1.1）

充电电流为：

dt

t dU C I )(C = （1.2） 充电效率为：

i

C E E η= （1.3） 上述公式中，C 为理想超级电容，R S 是等效电阻，U C (t )是t 时刻超级电容两端电压，E C 为超级电容已经吸收的能量，E i 是充电电路注入能量。

1.4.1 恒流充电

目前应用较为广泛的充电方式是恒流充电，在假定以恒定电流I 对超级电容进行充电，充电电压是U (t )，超级电容初始电压U C (0)为零，根据公式（1.2）可以看出在恒流充电阶段，超级电容两段的电压的上升的速率是恒定的[1]，则在t 时刻超级电容两段电压值为：

(0)C

1)(C C U t t U += （1.4） 根据公式（1.4）可以计算出在恒流充电阶段充电时间为：

I

U t U C t C (0))(C -= （1.5） 超级电容额定电压为U C ，在文献[6]中给出了在恒流充电模式下的充电效率计算公式：

)()(0202C S C U C

It IR U C It η+++= （1.6）

化简后为：

t

C 2R 11ηs += （1.7） 如果超级电容选定，则R S 和C 的值就被确定，根据公式（1.7）可知，超级电容的充电效率只与充电时间有关，随着充电时间的延长，充电效率也就越高，而充电时间的计算公式可以简化为：

I

t CU t )(C = （1.8） 根据公式（1.8）可知，设定的恒流充电电流值越大，充电时间就越短，结合公式（1.7）可以得知，充电时间越短，充电效率也就越低，也就是说充电效率与充电电流成反比。所以综合考虑设定的恒流充电电流与充电时间，就可以达到既可以使充电效率高又可以实现快速充电的目标。

1.4.2 恒功率充电

如果以恒定功率P 对超级电容进行充电，充电电流和电压是随着充电时间在变化的，根据简化的等效电路图可以得出功率P 的计算公式为：

I t U R I P )(S 2+= （1.9）

根据文献[6]中给出的在恒功率充电阶段的充电效率为：

Pt

U t U C E E η(0)])([212

C 2i C -== （1.10） 由公式（1.9）可以看出，在充电的初始阶段，超级电容两端电压较低，电阻R S 将大部分充电电能以热能的形式消耗，充电时间t 的增加，慢慢的充电电流就会下降，电阻R S 消耗的能量就越来越低而，而根据公式（1.10）可以看出，此时充电效率将会逐步提高。 1.4.3 恒压充电

在恒压充电阶段，充电电压保持不变，电流则随着充电时间的增加逐渐减小。根据图1.3的等效简化电路可以得出:

(0))(C S U IR t U += （1.11）

dt

t dU C I )(C = （1.12） 根据公式（1.11）、（1.12）可以得出超级电容两端电压为[6]：

C R t

e t U U t U t U S )]((0)[)()(C C --+= （1.13）

公式（1.13）中U C (0)是超级电容的初始电压，在这里设初始电压为0。E R 是电阻R S 消耗的能量，E C 是超级电容的充电能量,充电时间为t ，根据公式（1.12）可以计算出电阻消耗的能量为E R ：

)e C U R I E C R t

S 22S 2R (121--== （1.14） 文献[6]给出了超级电容的充电能量E C 为：

)(121](0))([21S 22C 2C C C R t

e CU U t U C E --=-= （1.15） 则根据公式（1.3）可以得到超级电容的充电效率为：

)(121s C R C C R t

e E E E η--=+= （1.16） 根据公式（1.16）可以看出，在恒压充电阶段，充电效率随着充电的时间增加而增加，最大值为50%。

1.5 课题的研究内容

本论文设计的是具有恒流充电、恒压充电、恒功率充电三种组合充电方式的充电电路，具体技术指标如下：

（1）输入电压范围为DC16V ～20V ，变换器工作频率为30kHz

（2）超级电容两端电压值在0～6V 时恒流充电，电流值I =1A;

（3）超级电容两端电压值大于6V 时恒功率充电，功率值P =6W;

（4）超级电容两端电压值达到12V 时恒压充电，恒定电压值U =12V;

（5）放电阶段，当超级电容电压降至8V 时停止放电。

第2章 多模式超级电容充电电路设计方案

2.1 总体电路设计方案

本论文总体电路由主电路、取样电路、充电模式控制电路、PWM 驱动控制电路组成。原理框图如图2.1所示，取样电路将超级电容两端电压、电流信号送给充电模式控制电路，充电模式控制电路将信号送给PWM 驱动控制电路，PWM 驱动控制电路通过调节输出PWM 波的占空比来调节开关管的导通与关断，进而通过Buck 开关变换电路的调节，实现在三种不同的充电模式组合转换为超级电容进行充电。根据技术指标要求当超级电容用作电源给负载进行供电时，需要设计放电欠压保护电路。

图2.1 原理框图

2.2 主电路设计案

Buck 变换器又称降压变换器，是输出电压小于输入电压的非隔离开关变换器，因其具有效率高、可靠性好等优点而被广泛应用于各种电源产品中。因此本论文采用Buck 变换电路作为主电路，主要用到的开关器件有功率MOSFET 和功率二极管。

2.2.1 Buck

变换器的组成

Buck 变换器主要由开关管Q1、储能电感L 、续流二极管VD 、滤波电容C 以及负载R L 构成。Buck 变换器的电路结构如图2.2所示，利用PWM 来控制开关管Q1的开关导通比，就可以得到稳定的输出电压与输出电流。储能电感与滤波电容可以允许输入信号的直流分量通过，抑制输入信号的谐波分量。

图2.2Buck变换器主电路结构

2.2.2Buck变换器工作原理

当开关管Q1导通的时候，续流二极管VD在这个时间段里不会导通，电感中通过的电流i L线性增加，经过滤波电容C滤波后，向负载供电，同时电感会以磁能的形式储存电能，如果电感电流i L增大到大于输出电流i o时，电容就会充电。当开关管Q1关断后，续流二极管导通，电感向负载供电，同时会有一部分电流给电容充电，电感电流线性减小，当电感电流小于i o之后电容也会进行放电，电感与电容同时向负载供电。

Buck变换器有连续导电模式CCM和不连续导电模式DCM，在开关管Q1关断期间，电感电流线性减小，当电感电流减小到0的时候，新的开通周期没有到来，则Buck变换器工作于DCM；在开关管关断期间，电感一直有电流流过，则Buck变换器工作于CCM。

2.2.3 功率MOSFET工作原理

金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）依靠多数载流子传输电流的单极性器件。它的特点是用栅极电压来控制漏极电流，具有驱动电路较为简单、开关速度快、热稳定性好、噪声小、寿命长、制造工艺简单等优点，因此被广泛用作开关电源中的开关管，本论文选用增强型PMOS管作为开关管。

1.MOSFET的结构

增强型PMOS管内部结构示意图与符号如图2.3所示。PMOS管是在N型硅衬底上利用离子注入或扩散工艺形成两个P+区，形成源极和漏极，两极之间不导通。再利用氧化等工艺在源极和漏极上方淀积一层SiO2绝缘层，绝缘层之上再制作一个栅电极。MOSFET共有四个脚，一般为栅极G、衬底电极B、源极S、漏极D，在实际应用中通常将衬底电极与源极短接。通过控制栅极与源极之间的电压，就可决定MOSFET是否能够导通。

图2.3 增强型PMOS内部结构示意图与符号

2. PMOSFET的工作原理

增强型PMOS管内部结构示意图如图2.3所示，在未加栅压的时候漏源之间是两个背靠背的PN结，如果给栅极加上负电压，在栅极下方会产生一个由栅极指向衬底的电

场，在这个电场的作用下，栅极附近衬底中的空穴被吸引到衬底表面，电子就会被排斥。V GS（V GS<0）的绝对值越大，吸引空穴的能力也就越强，当V GS达到一定值的时候，空穴的积累会使N型衬底表面强反型，这个反型层将源、漏连接起来，形成导电沟道。

2.2.4 功率二极管工作原理

在本征半导体中掺入P型和N型杂质，在交界面会形成PN结，N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，这种运动称为扩散运动。从N区扩散到P区的电子会不断与P区的空穴复合，同时从P区扩散到N区的空穴会不断与N区的电子复合，交界面两侧多子的复合就会形成空间电荷区[7]，如图2.4所示。正负离子在交界面会形成一个由N区指向P区的内电场。内电场有利于P区的电子进入N区，N区的空穴进入P区，这种运动称为漂移运动。

当PN结正偏的时候，即P区接电源正极，N区接电源负极，外加电场与内电场方向相反，耗尽层会变窄，扩散运动占优势，多子的扩散会使回路形成很大的正向电流，PN结呈现很小的正向电阻，称为正向导通[7]；当PN结反偏的时候，即N区接电源正极，P区接电源负极，外加电场与内电场方向一致，耗尽层变宽，飘移运动占优势，少子的漂移形成反向电流，但是少子的浓度很低，所以反向电流很小，PN结呈现很大的反向电阻，成为反向截止[7]。PN结正偏时正向导通，PN结反偏时反向截止，这就是PN结的单向导电性。

图2.4PN结空间电荷区

快恢复二极管的显著特点是：它的反向恢复时间很短（几百纳秒到几微妙），工作频率范围为几千赫兹到几十千赫兹，因此本论文选用快恢复二极管来作为Buck变换器的续流二极管。

2.3多模式充电电路设计方案

多模式充电电路如图2.5所示，主电路采用Buck变换电路，PWM驱动控制电路主要由芯片TL494及其外围电路来产生PWM波，充电模式控制电路的主电路主要由电阻R s、R9、R11、R12、R13以及稳压管ZD1与TL494共同组成。

图2.5 多模式充电电路原理图

2.3.1 充电模式控制电路原理

根据图2.5所示，恒流充电阶段电流取样电路由电阻R s组成，恒压充电阶段电压取样电路电阻R9、R11组成，恒功率充电阶段电流、电压的取样电路由电阻R s、R12、R13以及稳压二极管ZD1组成。

1、恒流充电模式

超级电容在开始充电时两端电压较低，充电电路工作在恒流充电模式。采样电阻R S 将电流信号转换为电压信号，经过R11接PWM控制电路TL494内部比较器2的同相输入端，R S采样的电流信号与比较器2的反相输入端进行比较，如果输出电流大于恒流充电电流的设定值时，PWM波控制电路输出占空比减小，Buck电路的输出电流减小，从而使超级电容充电电流恒定。

2、恒功率充电模式

随着充电时间的延长，超级电容两端的电压逐渐增大，稳压二极管两端电压也会增大，增大到稳压二极管ZD1的反向击穿电压的时候，稳压二极管开始工作，大于击穿电压的电压通过稳压二极管与采样电阻R S的采样电压叠加后芯片内部比较器2的同相输入端。由于反相输入端的基准电压不会改变，则随着充电时间越长，电容器两端电压就会越高，同相输入端的电压高于基准电压时，PWM控制电路TL494输出占空比减小，经过Buck电路的调节，会使充电电流下降，设计合理的参数，便能够实现以恒功率充电方式对超级电容进行充电。电容器两端电压持续升高，会迫使充电电流减小，由于充电电

路的调节作用，它们的乘积不会改变，这样就会使超级电容处于恒功率充电状态。

3、恒压充电模式

充电时间的增加，超级电容两端的电压也会增加，当超级电容两端电压达到恒压充电设定的启动电压时，采样电阻R9两端的电压（TL494内部比较器1同相输入端的电压）与比较器1的反相输入端进行比较，R9两端电压升高，PWM控制电路输出占空比减小，经过Buck电路的调节，充电电压下降，从而使超级电容处于恒压充电模式。

2.4PWM控制电路设计

开关变换器的控制方式可以分为开环和闭环控制两类。常用的开环控制主要有前馈控制。闭环控制包括电压型控制、电流型控制、单周期控制等。由于电压型控制开关变换器采用的是单环控制，所以它具有电路结构简单，控制环路比较容易设计与分析；另外由于锯齿波振幅较大，对调节过程可以提供较好的噪声裕度，具有较好的抗干扰能力。因此本论文采用电压控制型开关变换器作为硬件电路的控制电路模块。目前常用的电压控制型芯片主要是TL494、SG3524～SG3527等，本论文使用的是TL494来作为控制芯片，下面将对TL494的功能以及工作原理进行介绍。

2.4.1TL494引脚配置及其功能

TL494是一种电压控制型脉宽调制控制集成电路，由振荡器、死区时间比较器、比较器、输出电路以及PWM比较器等组成。其工作频率可高到300kHz，工作电压可达到40V，内有5V的基准电压，它的死区时间可以调整，因此被广泛应用于开关电源中。TL494的内部框图如图2.6所示，TL494的引脚如图2.7所示，各引脚功能如表2.2所示。

图2.5TL494内部框图

由图2.7可知，误差放大器将输出信号与振荡器产生的锯齿信号进行比较，就可以得到PWM波形。当比较器1或比较器2的同相输入端（1、16脚）的电压升高，高于其反