小型無(wú)線傳感器正在遍及每個(gè)角落,。傳感器應(yīng)用包括建筑控制,、工業(yè)控制,、安保,、定位跟蹤以及RFID,。小型能量采集源為這些傳感器自動(dòng)供電，不需要昂貴的布線以及重復(fù)更換的電池,，從而更加方便且具有高成本效益,。
我們周圍的環(huán)境可提供無(wú)限的能量，包括壓電,、熱,、振動(dòng)以及光伏太陽(yáng)能，但功率很低,，因此達(dá)不到通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)峰值功率的需求,，如IEEE802.15.4 (ZigBee)、802.11(WLAN)或 GSM/GPRS,。電池或超級(jí)電容作為一種功率緩沖器,，能夠存儲(chǔ)足夠的能量，為數(shù)據(jù)采集與傳輸提供所需要的突發(fā)功率,。這些能量存儲(chǔ)設(shè)備以小功率充電，而在需要時(shí)提供突發(fā)的能量,。
確定超級(jí)電容的大小
超級(jí)電容芯通常工作在2.3V~2.8V,。最有效率和最有性價(jià)比的策略是將超級(jí)電容的充電電壓限制在低于其額定電壓下，并為應(yīng)用存儲(chǔ)足夠的能量,。一種確定超級(jí)電容的簡(jiǎn)單方法是計(jì)算出支持應(yīng)用峰
能量采集源的結(jié)合" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/08/29/471743f3-c351-4743-8f0d-d87f2e70d53d.jpg" />
如果電流與ESR的乘積明顯大于超級(jí)電壓的最終電壓,，則這個(gè)計(jì)算就很重要。此時(shí),，用簡(jiǎn)單的能量平衡方法會(huì)讓超級(jí)電容值過(guò)小,。在低溫時(shí)很可能會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題,，此時(shí)ESR通常要比室溫下高出2倍到3倍。
超級(jí)電容的容值與ESR也應(yīng)允許老化,。超級(jí)電容會(huì)隨著時(shí)間而緩慢地丟失電容值,，增加ESR。老化速度取決于電池芯電壓與溫度,。設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)初始電容和ESR做出選擇,，使壽命終止時(shí)的電容與ESR仍可以支持應(yīng)用。
超級(jí)電容的充電
一個(gè)放電的超級(jí)電容就像一個(gè)與能量源短接的電路,。所幸,，很多能量采集源(如太陽(yáng)能電池和微發(fā)電機(jī))都可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)短接的電路，從0V起為一只超級(jí)電容直接充電,。與各種能量源(如壓電或熱電能)接口的IC必須能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)短接的電路,，從而為超級(jí)電容充電。
業(yè)界在MPPT(最大峰值功率追蹤)方面做了很大努力,，以從能量采集源最有效地獲得功率,。當(dāng)必須用恒壓方式為電池充電時(shí)，這種方案是可行的,。電池充電器通常是一個(gè)dc/dc轉(zhuǎn)換器,，它對(duì)能量源是一個(gè)恒定功率的負(fù)載，因此,，采用MPPT在最高效點(diǎn)獲得能量就是有意義的,。
與電池相反，超級(jí)電容不需要以恒壓充電,，而以電源可以提供的最大電流充電時(shí)效率最高,。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的充電電路，用于太陽(yáng)能電池陣列的開(kāi)路電壓小于超級(jí)電容額定電壓的情況,。二極管可防止超級(jí)電容在太陽(yáng)能電池?zé)o光照情況下對(duì)其反充電,。如果能源的開(kāi)路電壓大于超級(jí)電容的電壓，則超級(jí)電容需要采用分流穩(wěn)壓器做過(guò)壓保護(hù)(圖3),。分流穩(wěn)壓器是過(guò)壓保護(hù)一種廉價(jià)而簡(jiǎn)單的方案,，一旦超級(jí)電容充滿電，就無(wú)所謂是否消耗了過(guò)多的能量,。
圖3,，如果能量源的開(kāi)路電壓大于超級(jí)電容的電壓，則超級(jí)電容需要采用分流穩(wěn)壓器做過(guò)壓保護(hù),。
圖4,，一只微發(fā)電機(jī)的電壓-電流特性類似于太陽(yáng)能電池芯,，能為一個(gè)短接電路提供最大的電流。
能量采集器就像一根能無(wú)限供水的水管,，為一個(gè)水槽注水(好比一只超級(jí)電容),。如果水槽滿了，水管仍開(kāi)著,，水就會(huì)溢出,。這與電池不同，電池供給能量有限,，因此需要串聯(lián)穩(wěn)壓器,。
在圖2中的電路里，超級(jí)電容為0V,，從一塊太陽(yáng)能電池芯獲取短路電流,。隨著超級(jí)電容的充電，電流下降,，這取決于太陽(yáng)電池芯的電壓/電流特性,。但超級(jí)電容總是要獲取可能的最大電流，因此它以盡可能大的速率充電,。圖3中的電路采用了TLV3011太陽(yáng)能電池芯,，因?yàn)樗鼉?nèi)含了一個(gè)電壓基準(zhǔn)，只需要約3μA的靜態(tài)電流,，并且它是一種漏極開(kāi)路電池芯,，當(dāng)穩(wěn)壓器關(guān)斷時(shí)，輸出就是開(kāi)路的,。電路采用了BAT54二極管,，因?yàn)樗谛‰娏鲿r(shí)有低的正向壓降，即在正向電流小于10μA時(shí),，正向電壓小于0.1V,。