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图5，微发电机包括一个二极管桥，防止超级电容反充电给发电机，这就得到了一个简单的充电电路。

开路电压为8.5V，需要一个双芯的超级电容，如CAP-XX HZ202，它的工作电压为5.5V。并联稳压器提供了过压保护，一个小电流主动均衡电路可确保各电容芯之间的平均分配。凌力尔特技术公司的LT3652、LTC3108和LTC3625 IC以及德州仪器公司的BQ25504一起，由能量采集源为超级电容充电。

泄漏电流

由于有些能量采集器只能提供数微安的电流，因此泄漏电流就变得很关键。超级电容泄漏电流可以小于1μA，因此适合于能量采集应用(图6)。

图6，根据经验，室温下CAP-XX超级电容的均衡泄漏电流为1μA/F。

当超级电容充电时，泄漏电流会随着时间而衰减，因为碳电极中的离子会扩散进入孔隙中。泄漏电流会稳定在一个均衡值，该值取决于电容、电压和时间。泄漏电流与电容芯成正比。超级电容均衡泄漏电流的经验估计算法为室温下1μA/F。图6中的150mF电容，在160小时后的泄漏电流为0.2μA和0.3μA。泄漏电流随温度升高而呈指数上升。当温度升高时，稳定到均衡值的时间会减小，因为离子扩散的速度更快。因此，这些电容从0V充电需要的时间最小。根据不同的超级电容，这个电流范围从5μA~50μA。设计者在为能量采集电路挑选超级电容时，应考虑测试这个最小充电电流。

芯均衡

对于要求超级电容端子电压大于芯额定电压的电路，要将多只超级电容芯串联，以达到额定电压，如5V或12V。这种情况下，就需要采用一个芯均衡电路，否则，某只电容芯就可能进入过压状况，因为所有的电容芯的泄漏电流都有所差异，有不同的电压-泄漏电流特性。但因为它们是串联的，所以它们必须有相同的泄漏电流。为实现这个目标，各电容芯会在各自之间重新分配电荷；这样，某个电容芯就可能进入过压状态。电容芯处于不同温度下或以不同速率随时间老化时，可能会加重这个问题。最简单的均衡电路是每个芯并联一只电阻。根据超级电容的泄漏电流以及工作温度，电阻值通常在1kΩ~50kΩ之间，但对大多数能量采集应用来说，通过均衡电路的泄漏电流太高。能量采集应用的较好办法是采用一种小电流的有源均衡电路(图7)。

图7，小电流有源均衡电路可用于能量采集应用。

图7中的MAX4470运放供电电流为750nA，具有轨至轨的输入与输出能力。R3用于当某只电容芯造成短路时，限制输出电流。最终设计是，在均衡一只0.5F CAP-XX HW207超级电容160小时后，电流为2μA~3μA(图8)。为适应于对数坐标，芯均衡电流的绝对值可以为正也可以为负。

图8，本设计在对一个0.5F的CAP-XX HW207超级电容做160小时均衡后的电流为2μA~3μA。

温度特性

超级电容对能量采集应用的一个主要优势是它们有宽范围的温度性能。实例有：采用振动变换器的能量位置追踪单元，它可以工作在低于零度的温度下，另外还有可在冬天阳光下工作的太阳能板。在-30℃时超级电容的ESR通常是室温下ESR的两到三倍，因此即使在低温下，它仍可以提供峰值功率。与之相比，薄膜型电池的内阻在这种低温下可能达到数千欧姆。

做电池的补充

在某些应用中，超级电容是电池的替代品；还有一些应用中，超级电容为电池提供支持。有些情况下，超级电容可能无法存储足够的能量，此时就有必要使用电池了。例如，当环境能源(例如太阳)为间歇式时，如在夜间，则存储的能量不仅要用于提供峰值功率，而且还要支撑应用更长的时间。如果所需峰值功率超过了电池可以提供的量(如在低温下做GSM呼叫或小功率传输)，则电池可以用小功率为超级电容充电，而超级电容来提供大的脉冲功率。这种结构还意味着电池永远不会深度循环，从而延长了电池寿命。超级电容存储物理电荷，而不是像电池那样的化学反应，因此超级电容实际有无限的循环寿命。

当超级电容从一只电池充电来提供峰值功率脉冲时，各个脉冲之间存在着一个重要的间隔，如果脉冲相距过近，则让超级电容总是处于充电状态会更有效率。但如果脉冲间距不太近，则能效更高的办法是在峰值功率事件以前为超级电容充电。这个间隔取决于多种因素，包括超级电容在达到均衡泄漏电流以前吸纳的电容、超级电容的自放电特性，以及电路为了提供给峰值功率事件而从超级电容拉出的电荷。只有当你预先知道峰值功率事件的来临时间，这种选择才是有效的，而不能用于对不可预测事件的反应，如电池失效或外部刺激。

关键词： 采集 结合 能量 小型 电容 超级