能量微觀采集應(yīng)用（如無(wú)線(xiàn)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(jí)電容器提供非常適合能量收集環(huán)境的性能特征。通過(guò)將超級(jí)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(zhuān)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(jí)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(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，該功率輸出完全在無(wú)線(xiàn)通信突發(fā)的峰值需求范圍內(nèi)。超級(jí)電容器的有效充放電循環(huán)使其非常適合無(wú)線(xiàn)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(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有環(huán)境能量耗盡所有車(chē)載電荷存儲(chǔ)設(shè)備后定期“冷啟動(dòng)”。這里，在微收獲電路首先對(duì)用于為自舉過(guò)程的后續(xù)階段供電的自舉超級(jí)電容器充電之后，順序地重新激勵(lì)完整的應(yīng)用電路。

典型的微觀收割應(yīng)用使用超級(jí)電容器作為唯一的存儲(chǔ)設(shè)備，或者作為峰值或冷啟動(dòng)要求的補(bǔ)充存儲(chǔ)（圖1）。對(duì)于負(fù)載管理，需要DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)維持負(fù)載的穩(wěn)定電源電壓，因?yàn)槌?jí)電容器的電壓輸出與超級(jí)電容器上的電荷成線(xiàn)性比例。工程師通常會(huì)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(shí)從超級(jí)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(chǔ)設(shè)備通常提供一致的電源。超級(jí)電容器通過(guò)為峰值功率需求提供現(xiàn)成能源來(lái)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(yáng)能應(yīng)用中的反向電流的二極管將使超級(jí)電容器充電閾值升高二極管壓降量。類(lèi)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(jí)電容器接近耗盡時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，此時(shí)它會(huì)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(jí)電容器的充電時(shí)間。在使用多個(gè)超級(jí)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(shí)，這些看似簡(jiǎn)單的充電管理方法實(shí)際上使維持太陽(yáng)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(dòng)態(tài)變化的IV點(diǎn)對(duì)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的各種設(shè)備，以管理微觀收獲應(yīng)用中超級(jí)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(jí)電容器等大型存儲(chǔ)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(chǔ)電容上，直到降壓轉(zhuǎn)換器需要開(kāi)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(jí)電容器電源，由環(huán)境太陽(yáng)能供電，只需幾個(gè)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(shí)，LTC3588開(kāi)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(shí)，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(guò)這種方法，設(shè)計(jì)可以將收集的能量存儲(chǔ)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(lái)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(guò)每16秒采樣一次能量采集器的開(kāi)路電壓預(yù)設(shè)值來(lái)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(duì)于太陽(yáng)能收集器通常為0.8。因?yàn)樘?yáng)能電池的最大功率點(diǎn)大約是其開(kāi)路電壓的80％，所以這種機(jī)制提供了一種簡(jiǎn)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(guò)VREF_SAMP時(shí)，器件通過(guò)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(jí)電容器連接到器件的VBAT引腳，并依靠BQ25504的內(nèi)部電路來(lái)優(yōu)化超級(jí)電容器的充電。

Maxim MAX17710同樣依賴(lài)于內(nèi)部升壓轉(zhuǎn)換器，允許從低至0.75 V的輸入源對(duì)超級(jí)電容器充電.LDO線(xiàn)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(chǔ)容量。超級(jí)電容器或其他存儲(chǔ)設(shè)備。在工作時(shí)，只要輸入源電壓（引腳CHG）超過(guò)BATT上的電壓，MAX17710就會(huì)將電流直接傳遞給超級(jí)電容（引腳BATT） - 無(wú)需器件進(jìn)一步干預(yù)。當(dāng)CHG電壓超過(guò)CHG使能閾值（VCE）時(shí)，器件會(huì)限制充電電壓以防止過(guò)充電，并使LDO能夠開(kāi)始為應(yīng)用負(fù)載供電。