スーパーキャパシタバンク充電ソリューション

負荷が安定した入力電圧（3.3V、5V、12Vなど）を必要とするデバイスである場合の高効率ソリューションのブロック図が示されています。 48Vの主電源は、正常に機能しているスイッチングレギュレータ2（SW2）に電力を供給し、スイッチングレギュレータ1（SW1）を介してスーパーキャパシタバンクを25Vの電圧に充電します。主電源が切断されると、スーパーキャパシタバンクはSW2に電力を供給して連続動作を維持します。負荷の。

スーパーキャパシタを選択した後、システムエンジニアは、スーパーキャパシタの定格曲線に基づいて、スーパーキャパシタを充電するための目標電圧も選択する必要があります。ほとんどのスーパーキャパシタユニットは、室温で2.5V〜3.3Vの定格であり、この定格は高温で低下するため、平均寿命が長くなります。一般的に、スーパーキャパシタの寿命を延ばすためには、充電目標電圧の設定値を最大定格電圧より低くする必要があります。

次に、スーパーキャパシタバンクの予想される電圧とSW2トポロジを選択する必要があります。スーパーキャパシタバンクの構成は、並列、直列、または並列の直列コンデンサ直列の組み合わせにすることができます。セルコンデンサの定格電圧は通常3.3V未満であり、負荷には同等以上の供給電圧が必要になることが多いため、コンデンサセル構成とSW2のオプションは、1つのブーストコンバータを備えた1つのコンデンサセル、または複数の直列Aコンデンサユニットを使用することです。降圧または昇降圧レギュレータ。ブースト構成を使用する場合は、スーパーキャパシタが放電されたときに電圧がSW2の最小動作入力電圧を下回らないようにする必要があります。この電圧降下は、スーパーキャパシタの充電電圧の半分にもなる可能性があります。この目的のために、直列スーパーキャパシタの組み合わせと単純な降圧レギュレータ（SW1）で構成されるスーパーキャパシタバンクの例を示します。次に、エネルギー要件で必要な場合は、複数の直列コンデンサストリングが並列に接続されます。

スーパーキャパシターの直列の組み合わせを選択する場合、使用するコンデンサーセルの数は、コンデンサーストリングの上部で予想される最大電圧に基づいて選択する必要があります。直列容量が大きいということは、スーパーキャパシタストリングの容量が小さく、電圧が高いことを意味します。たとえば、4つの2.7V10Fコンデンサで構成される2つのコンデンサストリングと、8つの同一のコンデンサ（直列）で構成される1つのコンデンサストリングを使用することを選択したとします。 2つの構成は同じ総電荷とエネルギーを蓄積できますが、コンデンサストリングの利用可能な電圧範囲により、単一の直列ストリングが有利になります。たとえば、5Vのバイアスを必要とする負荷がある場合、SW2には約6Vの電圧が必要です（最大デューティサイクルおよびその他の差圧係数が与えられた場合）。

●コンデンサのエネルギーW = CV2 / 2、利用可能なエネルギーW = C / 2（Vcharge2-Vdicharge2）

●ストリングあたり4コンデンサの2つのコンデンサストリングの場合、利用可能なエネルギーW = 2 * [（10F / 4）/ 2 *（（2.7V * 4）2-6V2）] = 201.6J

● 8個のコンデンサ（直列）を含む単一のコンデンサストリングの場合、利用可能なエネルギーW = 1 * [（10F / 8）/ 2 *（（2.7V * 8）2-6V2）] = 269.1J

2つのコンデンサバンクは同じ合計エネルギーを保存できるため、低電圧コンデンサストリングの充電/無効化の割合が低くなります。この場合、スーパーキャパシタを利用するには、より高いキャパシタストリング電圧が好ましい。

3番目のシステムの課題は、スーパーキャパシタバンクの充電方法にあります。最初は、スーパーキャパシタの電圧がゼロのとき、容量値が高いため、SW1は出力短絡と同様の条件下で長時間動作する必要があります。従来のSW1はドーズモードでスタックする可能性があり、スーパーキャパシタを充電できません。スーパーキャパシタとSW1を保護するために、充電フェーズの開始時に追加の電流制限が必要です。満足のいく解決策は、SW1がほとんど出力電圧なしで長期間連続充電電流を提供できるようにすることです。

スーパーキャパシタを充電する方法はたくさんあります。図2（CIVE曲線）に示すように、定電流/定電圧（CICV）が推奨される方法です。充電サイクルの開始時に、充電デバイス（SW1）は定電流モードで動作し、スーパーキャパシタに定電流を供給して、その電圧が直線的に増加するようにします。スーパーキャパシタが目標電圧まで充電されると、定電圧ループがアクティブになり、スーパーキャパシタの充電レベルを正確に制御して、過充電を回避するためにスーパーキャパシタを一定に保ちます。この場合も、この優先ソリューションは、設計で考慮する必要のある電源管理機能の要件にも対応します。

図1を例にとると、48Vの主電源、25Vのスーパーキャパシタバンク電圧、3.3V、5V、12Vなどの負荷電圧の場合、SW1の同期降圧機能を選択するのが適切です。およびSW2。主な課題はスーパーキャパシタの充電に関連しているため、SW1の選択は非常に重要です。 SW1の理想的なソリューションには、CICV変調を提供しながら、高入力（48V）および出力（25V）で動作する電源管理機能が必要です。

スーパーキャパシタ充電器ソリューションの例

スーパーキャパシタの充電動作を説明するために、同期降圧レギュレータを例として取り上げます。その主要な問題と解決策を説明し、理解を助けるために実験波形を使用します。

図3は、IntersilのISL78268によって制御されるCICVモードを実装する同期降圧レギュレータの簡略図を示しています。 CICV制御下でスーパーキャパシタバンクを25Vに充電するために、コントローラを選択する際に次の機能が考慮されました。

1. VIN> = 48VおよびVOUT "= 25Vで動作可能な同期バックコントローラー。

2.調整モードを自動的に切り替えることができる定電流および定電圧調整機能。

3. CIモードを実現するために、システム供給電圧範囲に正確な電流検出入力を実装します。図3を参照すると、コントローラーはインダクターの連続電流、つまり充電電流を検出します。コントローラの電流検出アンプは、この例では25Vのコモンモード電圧に耐えることができなければなりません。

ISL78268同期バックコントローラーの小さな機能ブロック図

図4に、ISL78268同期バックコントローラの小さな機能ブロック図を示します。示されているように、定電圧（Gm1）と定電流（Gm2）を実現するために、Gm1とGm2というラベルの付いた2つの独立したエラーアンプがあります。

エラーアンプGm1はCV閉ループ制御に使用されます。 FBのフィードバック電圧を内部1.6V基準電圧と比較し、COMPピンにエラー電圧を生成します。 FBピンは出力電圧から抵抗分割器に接続され、出力電圧が期待される電圧レベルにあるときに1.6VのFB電圧に設定されます。 COMP電圧は、予想される出力電圧と実際の出力電圧の差を表します。次に、COMPをインダクタ電流と比較してPWM信号を生成し、出力電圧を一定に保つように制御します。

エラーアンプGm2はCI閉ループ制御に使用されます。 IMON / DEピンの電圧を内部1.6Vの基準電圧と比較し、COMPピンにエラー電圧を生成します。 IMON / DEピン電圧は内部で生成され、平均出力インダクタ電流負荷値を表します。したがって、Gm2ループがアクティブになるとCOMP電圧がアクティブになり（Gm1とGm2の出力間のダイオードがアクティブなループを効果的に選択します）、期待される出力電流と実際の出力電流の差を表します。次に、COMPをインダクタ電流と比較してPWM信号を生成し、出力電圧を一定に保つように制御します。

スーパーキャパシタ電圧が目標電圧に達する前の充電フェーズでは、COMPピンはGm2の出力によって駆動され、CI制御用のPWM出力を生成します。スーパーキャパシタの電圧が目標値に達すると、充電電流が減少し、IMON / DEピンの電圧が低下し、CIループが切断されるため（IMON / DE "1.6Vの場合）、CVループが自然に制御を引き継ぎます。したがって、COMPは出力電圧を一定に保ちます。

ISL78268降圧コントローラーは、ピーク電流モードPWMコントローラー（信頼性の高いサイクルごとのピーク電流変調器）と、スーパーキャパシターの充電に最適な外部定平均電流ループの両方を備えています。

これで、実装されたスーパーキャパシタ充電の実装に焦点を当てることができます。図5、6、および7は、スーパーキャパシタバンク（12バンド50F / 2.7V直列コンデンサ）を充電するためにISL78268によって制御される同期バックコントローラの実験波形を示しています。スーパーキャパシタは主電源から25Vに充電されます。

図5は、スーパーキャパシタの充電の複数の段階を示しています。最初、最初のフェーズでは、VoのIMON / DEピンの平均電流信号はほぼ0です。ISL78268は1.6V（予想される充電電流の基準値）に達していないため、CIループはまだ実行されていません。この段階で、インダクタのピーク電流はサイクルごとに固定OCしきい値に制限されます。 VOUTが低レベル（FB "0.4V"）の充電フェーズの開始時に、最大スイッチング周波数は50 kHzに制限され、低VOUTでのピーク電流制限による前述のインダクタ暴走の問題を防ぎます。

図6に第1段の波形の拡大図を示します。フェーズ2は、IMON / DEピンの電圧（黄色のトレース）が1.6Vに達したときに始まります。この段階で、CIループがオンになり、COMP信号（シアントレース）がプルダウンされて、出力電流が安定し、IMON / DEピンの電圧が一定に保たれます。 IMON / DEピン電圧は、検出された平均出力電流信号を表します。 IL波形（緑色のトレース）は、フェーズ2で平均電流が一定レベルに制御されていることを示しています。出力電圧波形（ピンク色のトレース）は、スーパーキャパシタが一定の充電電流によって線形に充電されていることを示しています。

フェーズ3は、FBピンで検出された0.4Vの電圧から始まります（図7）。このトリガーの後、定電流安定化ループが完全にオンになるため、スイッチング周波数を事前にプログラムされた300kHzに自動的に調整できます。より高いスイッチング周波数では、インダクタ電流リップル（緑色のトレース）が大幅に減少します。出力電圧（ピンクのトレース）は直線的に増加し続け、スーパーキャパシタが直線的に充電されていることを示します。

図5に戻ると、Voが25Vの目標電圧に達すると、第3段階が終了します。この時点で、CVループがオンになり、出力電圧が安定します。平均電流ループが壊れています。図5は、出力電圧（ピンクのトレース）がフラットでインダクタ電流が減少していることを示しています。平均充電電流を表すIMON / DEピン電流も低下し、定電流安定化プロセスの終了を示しています。

結論

スーパーキャパシターは、従来のバッテリーと比較して固有の物理的特性により、自動車、産業、および消費者製品のエネルギー貯蔵ソリューションとして使用されています。スーパーキャパシタバンクの保存可能なエネルギーを最大化するための最良の解決策は、多くの場合、複数のスーパーキャパシタセルを直列に接続して高容量のグループ電圧を実現することです。充電するときは、CICV法を使用して、スーパーキャパシタの充電中に低ESRによって生成される高電流を定電圧に制限するのが最善です。定電流により、電荷損失を制御することもできます。これにより、発生する熱量が減少し、スーパーキャパシタの寿命が延びます。したがって、充電回路が高電圧に耐え、CICV制御機能を提供することは有益です。

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