2019-06-17

高级电子技术

this is the tenth passage of HEXO
SEVO 实验室

超级电容专题报告

信息科学与工程学院 180200214 秦钲超

超级电容在近几年发展非常迅速，逐渐进入人们的视野。通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。超级电容有很多的优点,第一点是充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上，第二点循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”第三点是超级电容的大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%，除此之外超级电容还有功率密度高的特点，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍，充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护，剩余电量便于读取。
超级电容控制板电路应用到的一系列芯片将在下面进行简单的介绍，主控部分选择的是STM32C8T6芯片，其次是选用合适的磁电流传感器，在此选用的是型号为TLI4970的磁电流传感器，下图为该芯片各引脚以及引脚功能

该芯片由ams1117-3.3v降压芯片减压后提供电压，电源模块选用B2405，在网上查询该芯片数据手册后了解到该芯片体积小，功率密度高，效率高，热稳定性好，该芯片输入电压为24v，输出电压为5v，该芯片24v的输入电压由超级电容提供，下图为B2405芯片的应用电路，输出电压不同是，电容值随之发生改变
数模转换芯片采用DAC5571IDBVR，该芯片供电电压范围为2.7v-5.5v，在此采用3.3v电压供电，由ams1117-3.3v降压芯片为该芯片供电，下图为该芯片引脚分布表以及功能定义

在此需要注意该芯片反向输入电压最大为0.3v，其应用电路如下图所示

电路中采用的LTC1473是双通道PowerPathTM开关驱动器，根据在网上查到的资料，该芯片用于具多个 DC 电源之系统的电源通路管理，全 N 沟道开关操作以降低功率损失和系统成本，开关和隔离高达 30V 的电源，用于N沟道栅极驱动的自适应高电压升压型稳压器，电容器浪涌和短路电流限制，用户可编程定时器用以限制开关功耗，同时具有小占板面积：16 引脚窄体采用SSOP 封装。LTC1473 驱动两组背对背 N 沟道 MOSFET 开关，以将功率传送至主系统开关稳压器的输入。一个内部升压型稳压器负责提供电压以全面强化逻辑电平 N 沟道 MOSFET 开关。 LTC1473 可检测电流，以限制开关切换或故障情况下进出电池和系统电源电容器的浪涌电流。一个用户可编程定时器用于监视 MOSFET 开关处于电流限制状态的时间，并在设定的时间被超过之时将其锁断。一种独特的“双二极管模式”逻辑确保了系统启动，这与哪个输入先接收到功率无关。该芯片典型应用电路如下图所示
引脚分布如下图所示

CAN总线收发芯片采用TJA1050t，该芯片输入电压范围为4.75v-5.25v（如图）

该芯片引脚分布以及定义如下图所示

TVS二极管采用Rclamp3304和SMAJ26A两种，引脚分布以及各引脚功能如下图

SMAJ26A TVS二极管输入电压可以达到26v
主控芯片STM32C8T6不必再进行过多的介绍，在做船赛的时候曾经画过单片机小系统，即以STM32C8T6为主控芯片的单片机。
涉及到超级电容，需要了解的是升压电路，降压电路和升降压电路
首先来说一下降压电路（以下是经常应用的降压电路以及对应的芯片）
12转5v时常用7805，转-5v时候会用7905。

7.2v转5v也很常见，一般直接用lm2940,电路如下：

7.2v转3.3v用lm1117，电路如下：

5v转3.3v用AMS1117电路图如下：

升压电路则通常选择BOOST升压电路
其实使用DCDC电路就可以实现三种功能，即升压，降压，升降压功能
下面从我自己写的博客中摘取一部分
工作原理：
Dcdc电路：
DC-DC是英语直流变直流的缩写，所以DC-DC电路是某直流电源转变为不同电压值的电路。DC-DC是开关电源技术的一个分支，开关电源技术包括AC-DC、DC-DC两ff个分支。DC-DC电路按功能分为：
升压变换器：将低电压变换为高电压的电路。
降压变换器：将高电压变换为低电压的电路。
反向器：将电压极性改变的电路，有正电源变负电源，负电源变正电源两类。
三个主要分支，当然应用时在同一电路中会有升压反向、降压升压等功能同时存在。
DC-DC变换器的基本电路有升压变换器、降压变换器、升降压变换器三种。
dcdc电路原理：
降压变换器原理图如图1所示，当开关闭合时，加在电感两端的电压为（Vi-Vo），此时电感由电压（Vi-Vo）励磁，电感增加的磁通为：（Vi-Vo）*Ton。
当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）Toff。
当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi-Vo）Ton=（Vo）Toff，由于占空比D<1，所以Vi>Vo，实现降压功能。
图当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi-Vo）Ton=（Vo）Toff，由于占空比D<1，所以Vi>Vo，实现降压功能。

升压变换器原理图如图2所示，当开关闭合时，输入电压加在电感上，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）Ton。

当开关断开时，由于输出电流的连续，二极管VD变为导通，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo- Vi）Toff。
当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，（Vi）Ton=（Vo- Vi）Toff，由于占空比D<1，所以Vi<Vo，实现升压功能。

升降压变换器、入出极性相反原理如图3,当开关闭合时，此时电感由电压（Vi）励磁，电感增加的磁通为：（Vi）Ton；当开关断开时，电感削磁，电感减少的磁通为：（Vo）Toff。当开关闭合与开关断开的状态达到平衡时，增加的磁通等于减少的磁通，（Vi）Ton=（Vo）*Toff，根据Ton比Toff值不同，可能Vi< Vo，也可能Vi>Vo。

综上，可通过DCDC外部电感和二极管的接法来判断DCDC的类型：
1>若二极管负向接SW，正向接地，且电感接SW和负载之间。则为降压DCDC。
2>若电感接电源和SW之间，二极管正向接SW，负向接负载。则为升压DCDC。
3>若电感接SW和地之间，二极管负向接SW，正向接负载。则为升降压DCDC