高能效比电容供电电路设计

　使用 超级 器(supercaitor)并在便携式微功率应用中取代 电池 这一概念的发展势头越来越猛(参考文献1)。事实上，它已成为时下更引人注目的技术趋势之一。

　当把诸如Maxwell Technologies 的BOOSTCAP和 Elna 的DYNACAP等超级用作时，它们具有比传统可充电电池大得多的优势。例如，它们对短路具有很强抵抗力、充电很短以及实际上几近无限的充放电次数(可达100万次，而充电电池才 1000 次)，从而提供了一种环保、“没有一次性器件”的方案。此外，大多数超级电容满足欧盟对有害物质( )方面的使用限制。  

　从设计角度看，超级电容和电池的根本区别在于 电容器 在充/放电周期发生的显著变化。充电时，理论上，电容器的电压从零上升到其最高额定电压，而电池的端电压在其工作周期中变化很小。超级电容是 电子 电容器的一个子集。可通过下式得出能从超级电容放电周期中(放电周期是指电容器的端电压从其最大值VMAX变为最低工作电压VMIN的过程)获得的有效能量EEFF：

　EEFF = 1/2 × C × ( V2MAX – V2MIN) (1)

　相应地，有效能量比(EER)可定义为：

　EEFF/ EMAX = 1–(VMIN/VMAX)2 (2)

　其中EMAX代表电容器存储的总能量。等式2明确表明，随着我们通过减少电容器内的驻留电能，而降低了被供电 的最低工作电压VMIN，有效能效比可获得极大地提升。对任何以电容供电的电路来说，能效比都是一个非常重要的设计考虑。

　当电路内电子器件的最低工作电压VMIN从 3.6V 降为1V时，能效比从48％提高到96％。因此，对于电容供电电路的设计来说，“挤压器件的工作电压”是首先要考虑的问题。

　使用超低功率 DC/DC 升压转换器(如参考文献2所述的无型转换器，其工作电压可低至0.7 V)可实现该目标，但它可能会增加设计成本和功耗。另一种选择是使用针对超低电压器件工作而研制的专用设计技术。

　参考文献3介绍的就是这样一种低压电路设计的好例子。建议采用的微功率、超低电压、全频、无 就非常适合电容供电的电路(图2)。

　图2：最简单的无二极管精精密全波整流器采用单个轨至轨 运算放大器 和三个匹配的 。

　为把握电路的工作原理，请务必注意：运算 放大器 工作在单模式。若将正信号加到输入端(VIN> 0)，运算放大器的输出就变为零，此时整个电路实际上转变成一个简单的由三个(R1、R2和R3)串联的无源网络。当输入信号为负时，运算放大器恢复“正常线性状态”并作为常规 放大器 工作。为产生对称的正半波和负半波输出，R1、R2和R3的值必须要满足如下条件：

　R1 × R3 = R2 × (R1 + R2 + R3) (3)

　在满足等式3的条件下，电路在点2具有1/2的增益。可添加一个增益为2的非反相放大器以得到一致的整体增益，从而实现工作等式VOUT=|VIN|。

　该电路具有一定局限性：其正负半波的不同。理论上，正半波的是R1+R2+R3，而负半波的仅为R1。此外，运算放大器的输入寄生电容(CP)会影响交流工作模式，尤其是在高频范围。(交流性能的详细分析远远超出了本文范围。我建议在实际设计中采用Spe仿真)。

　该电路可采用多种轨至轨微功率运算放大器，例如：美国国家半导体的双LM*2(VMIN= 1.8 V)；美信集成产品的双MAX 4289 (VMIN=1.0V)；或相似类型的产品。

　由于典型的硅二极管具有约0.6V的正向压降，因此其输出要从电源电压中减去这0.6V。在构建电容供电电路(其中电路电源电压应尽可能的低)时，这一考虑已变得相当重要。基于这个原因，建议采用的无二极管设计方案更适合电容供电模式。它节省了宝贵的0.6V电压(考虑到运算放大器可工作在1V的这种可能性，0.6V的确非常有价值)，从而降低了电路的最低工作电压，进而提高了方案的整体能效比。（作者：Alexander Bell）