为说明超级电容充电行为,我们以同步降压稳压器为例。说明其关键问题和解决技术,并使用实验波形来帮助理解。
图1.实现cicv超级电容充电控制的同步降压稳压器简化原理图
图1显示了用intersil的isl78268控制的实现cicv模式的同步降压稳压器的简化原理图。为了在cicv控制下将超级电容组充电到25v,在选择控制器时考虑了以下功能:
1.能在vin>= 48v和vout>= 25v条件下工作的同步降压控制器。
2.恒定电流和恒定电压调节能力,可自动切换调节模式。
3.在系统供电电压范围实现准确的电流感测输入以实现ci模式。参考图3,控制器可感测电感器的连续电流,即充电电流。控制器的电流感测放大器必须能够承受共模电压,在本例中为25v。
图2显示了isl78268同步降压控制器的一小部分功能框图。如图所示,有两个独立的误差放大器,分别标记为gm1和gm2,用于实现恒定电压(gm1)和恒定电流(gm2)。
误差放大器gm1用于cv闭环控制。它比较fb的反馈电压与内部1.6v参考电压,并在comp引脚产生误差电压。fb引脚从输出电压连接至一个电阻分压器,并设置为当输出电压为预期电压水平时fb电压为1.6v。于是comp电压即代表预期输出电压与实际输出电压之差。然后比较comp与电感电流相比较,以生成pwm信号,来控制输出电压,使之保持恒定。
误差放大器gm2用于ci闭环控制。它比较imon/de引脚电压与内部1.6v参考电压,并在comp引脚产生误差电压。imon/de引脚电压是内部产生的,代表平均输出电感电流负载值。因此,comp电压在gm2回路激活时(gm1和gm2的输出之间的二极管有效地选择哪个回路是激活的)代表预期输出电流与实际输出电流之差。然后comp与电感电流相比较,以生成pwm信号,来控制输出电压,使之保持恒定。
在超级电容电压达到目标电压之前的充电阶段,由gm2的输出来驱动comp引脚,产生pwm输出,以实现ci控制。当超级电容电压达到目标值时,充电电流减小,引起imon/de引脚电压降低和ci回路断开(当imon/de<1.6v时),于是cv回路自然地接管对comp的控制,从而保持输出电压恒定。
isl78268降压控制器既有峰值电流模式的pwm控制器(可靠的逐周期峰值电流调制器),也有非常适用于超级电容充电的外部恒定平均电流回路。
图3.isl78268 cicv回路简化框图
现在,我们可以重点介绍已实现的超级电容充电实现方案。图4、5和6显示了由isl78268控制,来为超级电容组(12节50f/2.7v串联电容)充电的同步降压控制器的实验波形。超级电容将通过主电源充电至25v。
图4.超级电容充电的实验波形
图4显示超级电容充电有多个阶段。开始时,在第1阶段,vo几乎为0.isl78268的imon/de引脚上的平均电流信号还未达到1.6v(期望充电电流的参考值),所以ci回路还未接通(engage)。在此阶段,电感器的峰值电流被逐周期限制于固定的oc阈值。在vout处于低水平(fb<0.4v)的充电阶段开始时,开关频率最大值被限制在50khz,以预防所提到的因为低vout时的峰值电流限制而引起的电感器失控问题。
图5显示了第1阶段的波形的放大图。第2阶段从imon/de引脚电压(黄色迹线)达到1.6v时开始。在此阶段,ci回路接通并拉低comp信号(青色迹线),从而开始稳定输出电流并使imon/de引脚电压保持恒定。imon/de引脚电压代表所感测的平均输出电流信号。il波形(绿色迹线)显示平均电流在第2阶段被控制为恒定水平。输出电压波形(粉色迹线)显示超级电容被恒定充电电流以线性方式充电。
图5.超级电容充电第1阶段的实验波形放大
第3阶段从fb引脚检测到0.4v电压开始(图6)。该触发之后恒定电流稳定回路将完全接通,所以开关频率可自动调节至预编程的300khz.在更高的开关频率下,电感电流纹波(绿色迹线)显着减小。输出电压(粉色迹线)继续呈线性增加,表示超级电容被线性充电。
图6.超级电容充电的实验波形
回到图4,第3阶段一直到vo达到25v的目标电压时结束。此时,cv回路接通并稳定输出电压。平均电流回路断开。图5显示输出电压(粉色迹线)趋平且电感电流降低。代表平均充电电流的imon/de引脚电流也下降,表示恒定电流稳定过程结束。