如何使用MAX17701設(shè)計(jì)超級(jí)電容快速充電器

超級(jí)電容器（也稱為超級(jí)電容器）具有高功率能力，使其成為需要高電流短充電和放電周期的應(yīng)用的理想選擇。在本應(yīng)用說明中，我們將展示自動(dòng)托盤穿梭車的實(shí)用設(shè)計(jì)。在此應(yīng)用中，快速充電可由基于同步降壓超級(jí)電容器充電器控制器的靈活、高效、高電壓和高電流充電器提供。

介紹

超級(jí)電容器（也稱為超級(jí)電容器）與其他儲(chǔ)能介質(zhì)相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且越來越多地用于各種應(yīng)用。

與普通電容器相比，超級(jí)電容器可以容納大量能量。它們還具有非常高的功率密度，允許相對(duì)于電池進(jìn)行較大的充電和放電電流。與電池不同，超級(jí)電容器的工作電壓低至0V，并且不會(huì)受到過放電的影響。這些特性使超級(jí)電容器成為需要快速充電和放電的應(yīng)用的正確選擇。我們將介紹一個(gè)概念性的快速超級(jí)電容充電器設(shè)計(jì)，使用MAX17701作為現(xiàn)代倉(cāng)庫(kù)中的自動(dòng)通道載體（或托盤穿梭車）。

超級(jí)電容器特性

首先，讓我們來看看超級(jí)電容器的一些關(guān)鍵特性。與電池不同，超級(jí)電容器基于靜電原理工作，沒有化學(xué)反應(yīng)，避免了與電池化學(xué)儲(chǔ)存相關(guān)的高內(nèi)阻和壽命問題。

超級(jí)電容器也稱為雙層電容器（EDLC），通過在電極-電解質(zhì)界面處插入電荷形成雙層電荷來存儲(chǔ)電能，從而實(shí)現(xiàn)比普通電容器更高的儲(chǔ)能能力。超級(jí)電容器的主要特性如下：

高功率輸出，能夠以大電流快速充電/放電

低內(nèi)阻，低充放電損耗

完全放電至 0V

充電和放電數(shù)千次。使用壽命長(zhǎng)達(dá) 40 年，具體取決于工作溫度和施加電壓

普通電容器通常由兩塊金屬板組成，由絕緣體（如空氣或塑料薄膜）隔開。在充電過程中，電子積聚在一根導(dǎo)體上并離開另一根導(dǎo)體。一方獲得負(fù)電荷，而另一側(cè)建立正電荷。負(fù)電荷對(duì)正電荷的自然拉力通過絕緣體產(chǎn)生電場(chǎng)并存儲(chǔ)能量。

超級(jí)電容器還包含兩塊金屬板，僅涂有稱為活性炭的多孔材料。它們浸入由溶解在溶劑中的正離子和負(fù)離子制成的電解質(zhì)中。一個(gè)板是正極，另一個(gè)是負(fù)極。超級(jí)電容器通過在形成雙層電荷的電極-電解質(zhì)界面插入電荷來儲(chǔ)存電能，因此得名雙層電容器。電荷通過靜電引力物理沉積，從而產(chǎn)生快速的充放電動(dòng)力學(xué)、高功率密度和長(zhǎng)生命周期（因?yàn)榕c電池不同不涉及化學(xué)反應(yīng)）。1,2

用于自動(dòng)通道載體的快速超級(jí)電容器充電器設(shè)計(jì)

在由一個(gè)或多個(gè)貨架單元組成的現(xiàn)代存儲(chǔ)設(shè)施中，它由不同樓層的大量通道組成，可存儲(chǔ)數(shù)千個(gè)托盤。對(duì)于每一層，轉(zhuǎn)運(yùn)車服務(wù)于存儲(chǔ)通道（X 軌道），而電動(dòng)自動(dòng)通道托架在其中移動(dòng)（軌道 Y），見圖 1。通道載體（穿梭車）是使用超級(jí)電容器作為主要電力來源的理想應(yīng)用。超級(jí)電容器在轉(zhuǎn)運(yùn)車上幾秒鐘內(nèi)快速充電。通道內(nèi)的自主穿梭飛行僅持續(xù)幾秒鐘，每次飛行所需的能量有限，由超級(jí)電容器提供。當(dāng)穿梭車停靠在提供24VDC電源的轉(zhuǎn)運(yùn)車上時(shí)，超級(jí)電容器會(huì)充電。班車始終可用，并且可以連續(xù)運(yùn)行，24/7。

圖1.在一個(gè)存儲(chǔ)層中轉(zhuǎn)移汽車和過道托架（班車）。

設(shè)計(jì)規(guī)范

通道載體充電/放電規(guī)格：

通道載波電機(jī)（和其他電路）最大功率要求，嘴唇：12V 在 5A

通道托架在通道中的最長(zhǎng)工作時(shí)間，tC：5 秒

轉(zhuǎn)運(yùn)車上的通道托架最短?？繒r(shí)間，tD：10 秒

轉(zhuǎn)運(yùn)車上的電源，VS： 24V 直流 ±10%

超級(jí)電容器組，C，預(yù)期壽命：>10年

圖2.轉(zhuǎn)運(yùn)車和過道托架動(dòng)力系統(tǒng)圖。

選擇和確定超級(jí)電容器的工作范圍

我們將從輸出功率要求開始，P或?yàn)?12V x 5A = 60W。在允許85%升壓轉(zhuǎn)換器效率的情況下，我們需要升壓轉(zhuǎn)換器的輸入功率為60W/85% = 70.6W。因此，超級(jí)電容器模塊所需的能量為 E = 70.6W x tC= 每次穿梭運(yùn)行的最大 353J。

超級(jí)電容器組有 3 節(jié)串聯(lián)電池，總額定工作電壓為 9V。允許90%的電壓降額以延長(zhǎng)超級(jí)電容器的使用壽命，最大充電電壓為9V x 90% = 8.1V （V。.MAX).這將使電容器組在15°C工作溫度下的使用壽命為40年，如圖3所示。超級(jí)電容器組必須具有適當(dāng)?shù)碾姵仄胶怆娐?，以?shí)現(xiàn)全電壓降額優(yōu)勢(shì)。

圖3.AVX-SCC 超級(jí)電容器預(yù)期壽命與電壓降額和溫度的關(guān)系3.

即使超級(jí)電容器可以放電低至 0V，升壓 DC-DC 工作電壓范圍也僅允許在低至 2.7V （V最低).現(xiàn)在，我們可以確定所需的電容：

C = 2 x E / (VMAX2 – VMIN2), or C = 2 x 353J / (8.1V2 – 2.7V2) = 12F

使用三個(gè)SCCV40E506SRB串聯(lián)，每個(gè)50F，這提供了15F。該數(shù)字已經(jīng)考慮了-10%的電容初始容差，并提供了額外的25%容量裕量。

設(shè)計(jì)超級(jí)電容器充電器

充電器必須在 15 秒或更短的時(shí)間內(nèi)將這個(gè) 2F 超級(jí)電容器從 7.8V 充電至 1.10V。我們可以計(jì)算充電電流IC，如下所示：

IC = C x dV/dt = 15F x (8.1V - 2.7V)/10s = 8.1A

選擇我C= 10A，為充電電流和電壓容差留出足夠的裕量。還值得注意的是，這個(gè) 10A 電流遠(yuǎn)不及所選超級(jí)電容器的額定電流，其峰值電流限制額定值為 37.5A。相對(duì)于峰值額定電流的低充電電流意味著電容器的內(nèi)部熱量相對(duì)較低。

采用MAX17701的快速超級(jí)電容器充電器電路

MAX17701為高效、高壓喜馬拉雅同步、降壓、超級(jí)電容充電器控制器，設(shè)計(jì)工作在4.5V至60V輸入電壓范圍。該器件以 ±4% 精度的恒定電流為超級(jí)電容器充電，該恒定電流是可編程的。超級(jí)電容器充電后，器件以±1%的精度調(diào)節(jié)空載輸出電壓。輸出電壓可在 1.25V 至 （VDCIN - 2.1V） 范圍內(nèi)進(jìn)行編程。MAX17701是本應(yīng)用中快速超級(jí)電容充電器的理想選擇。

除許多其他特性外，MAX17701還提供安全定時(shí)器（TMR）功能，用于設(shè)置允許的最大恒流（CC）模式充電時(shí)間。該器件具有一個(gè)非專用比較器，可用于檢測(cè)輸出過壓事件 （OVI） 并防止超級(jí)電容器過度充電。讓我們來看看其中的一些功能，并將它們適當(dāng)?shù)卦O(shè)置為我們的自動(dòng)通道載體快速超級(jí)電容器充電器設(shè)計(jì)。

圖4是使用MAX17701的充電器的簡(jiǎn)化原理圖。

圖4.轉(zhuǎn)運(yùn)車和過道載波電力系統(tǒng)參數(shù)圖計(jì)算。

開關(guān)頻率設(shè)定

RT/SYNC 是開關(guān)頻率編程/同步輸入。我們將保持RT/SYNC在默認(rèn)的350kHz頻率下處于打開狀態(tài)。開關(guān)頻率可在 125kHz 至 2.2MHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并可與一個(gè)外部時(shí)鐘同步。較高的開關(guān)頻率會(huì)減小輸出LC濾波器的尺寸，但會(huì)降低效率。請(qǐng)參考MAX17701數(shù)據(jù)資料了解更多詳情。

工作輸入電壓設(shè)置

輸入電源為 24VDC ± 10%。讓我們?cè)俳o它 10% 的裕量，因此我們將充電器的最低工作電壓設(shè)置為 19.2V。EN/UVLO 引腳為使能/欠壓閉鎖輸入，上升門限為 1.25V。請(qǐng)參考MAX17701數(shù)據(jù)資料中的設(shè)置輸入欠壓鎖定電平（EN/UVLO）部分，計(jì)算電阻分壓器R6和R7值。

CC 模式充電電流設(shè)置 （ILIM）

讓我們?cè)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS上使用50mV的（VCSP - VCSN），以獲得±4%的充電電流精度。我們的目標(biāo)充電電流ICHGMAX（或IC）為10A。

RS = (VCSP - VCSN)/I = 50mV/10A = 5mO

VILIM = 30 × RS × ICHGMAX = 30 x 5mO x 10A = 1.5V

該值可以通過將ILIM直接連接到VREF來方便地設(shè)置，而無需使用電阻分壓器。

如圖3所示，在電流檢測(cè)信號(hào)路徑中連接一個(gè)R-C濾波器，以衰減開關(guān)噪聲，同時(shí)保持精度和帶寬。R-C濾波器轉(zhuǎn)折頻率應(yīng)為開關(guān)頻率的5倍。推薦的濾波電阻（R5）為40O，對(duì)電流檢測(cè)精度的影響最小。

C5 = 1/(2p x R1 x 5 x fSW) = 1/(2p x 40O x 5 x 350kHz) = 2.3nF

讓我們使用 C5 = 2.2nF，它是最接近的標(biāo)準(zhǔn)值。

安全定時(shí)器設(shè)置

安全定時(shí)器 （TMR） 功能用于設(shè)置允許的最大恒流 （CC） 模式充電時(shí)間。在我們的應(yīng)用中，以15A電流將0F超級(jí)電容器從8至1.10V充電大約需要12秒。設(shè)置tSC_TMR至 18 秒，為定時(shí)器容差和裕量留出 50% 余量。如果充電在 CC 模式下停留超過 18 秒，充電器將關(guān)閉，然后在 4 x t 后重新啟動(dòng)SC_TMR，或 52 秒后。

使用以下公式計(jì)算 CTMR對(duì)于所需的 TSC_TMR:

CTMR = 1.15 × （tSC_TMR/（2 × 32767） - 1.2μ） × 10μA/（1.5V - 0.96V） = 5.8nF;
其中：
tSC_TMR= 所需的安全計(jì)時(shí)器超時(shí)設(shè)置（以秒為單位）。
CTMR= 以法拉為單位的 TMR 電容器。
讓我們使用 CTMR= 6.8nF，這是最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容值。

輸出調(diào)節(jié)電壓設(shè)置

請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表中的輸出電壓和電壓調(diào)節(jié)環(huán)路（FB）設(shè)置部分，計(jì)算R1和R2值，將我們的應(yīng)用輸出電壓調(diào)節(jié)設(shè)置為標(biāo)稱值8.1V。

輸出過壓設(shè)置

過壓保護(hù)功能可以保護(hù)超級(jí)電容器組免于過度充電。如果 V這些超過 VOVI_TH，充電停止，充電器進(jìn)入閉鎖故障。請(qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)計(jì)算R3和R4值，將輸出過壓門限設(shè)置為9V。

選擇輸入短路保護(hù) MOSFET

GATEN 引腳控制連接在電源 DCIN （VS）和 V在以防止超級(jí)電容器放電，如果 VS簡(jiǎn)稱為 PGND。為額定電壓為 3V 或更高、額定電流為 40A 或更高的 Q20 選擇功率 MOSFET。VISHAY SIR826ADP MOSFET （80V/60A） 對(duì)于此應(yīng)用來說綽綽有余。該 MOSFET 具有低 RDS（ON）最大限度地減少傳導(dǎo)損耗，提高效率。

選擇開關(guān)功率 MOSFET 和輸出濾波器

在 350kHz 時(shí)，輸入電壓標(biāo)稱值為 24V，輸出電壓為 8.1V。在穩(wěn)態(tài)恒壓模式下，開關(guān)占空比約為34%，頂部開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為1μs。允許30%穩(wěn)態(tài)輸出電流紋波，我們需要輸出濾波電感值為：

LO = (24V - 8.1V) x 1μs/3.3A = 4.8μH

L或最大輸出電流為10A DC，峰峰值紋波電流為3.3A。選擇具有足夠額定電流的電感器。對(duì)于開關(guān)功率MOSFET，選擇VISHAY SIR826ADP （80V/60A）作為Q1和Q2。

選擇開關(guān)頻率、輸出濾波電感和開關(guān)功率MOSFET是解決方案效率、尺寸和成本的平衡。

結(jié)論

與其他儲(chǔ)能介質(zhì)相比，超級(jí)電容器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且越來越多地用于各種應(yīng)用。超級(jí)電容器可以容納大量能量并具有非常高的功率密度，允許較大的充電和放電電流。超級(jí)電容器是需要快速充電和放電的應(yīng)用的正確選擇，例如現(xiàn)代倉(cāng)庫(kù)中的自動(dòng)通道載體。MAX17701是快速超級(jí)電容充電器設(shè)計(jì)的理想控制器。

審核編輯：郭婷