基于LTC3780的超级电容恒功率充电分析

龙源期刊网 基于LTC3780的超级电容恒功率充电分析作者：徐铭伟 刘畅 任建新来源：中国科技博览2019年第09期摘 要分析了超级电容分别在CC、CV和恒功率模式下的充电速率。介绍了Linear公司的四功率开关 Buck-Boost控制器LTC3780的工作原理及应用场合，并用其设计了一款针对超级电容的恒功率充电装置，然后对电路进行仿真，分析相关参数。关键词LTC3780、恒功率、Buck-Boost、仿真中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0220-010 引言超级电容是一种新兴的具有特殊性能的电源，它在功率密度、能量转换效率、使用寿命、放电电流等指标上具有明显的优势。鉴于此，超级电容在许多场合中使用广泛，其成本极低、容量大、功率密度极高的特点可以满足一定时间内，持续的电流输出，因此，在一些小功率、短时间的场合，可以作为备用电源使用。其放电电流较大的特点可以对大功率设备的启动和负载突变的情况下提供瞬时高功率输出，以满足设备的正常运行。是现代电力电子领域不可或缺的能量存储装置。1 超级电容的等效电路模型超级电容的等效电路模型一般使用阻感容等基本的电路元器件来描述其电气特性，等效电路如图1.1所示。如图，超级电容的等效模型由串联等效电阻（ESR）和等效电容构成。在对超级电容充电或放电时测量两端电压，其端电压由充电或放电电流在串联等效电阻上产生的电压和电容自身的电压构成。纯电容部分电压由下式所得：I=Cdv=串联等效电阻上的电压由下式所得：V=IR因此，在超级电容充电或放电时，两端电压的变化量为： dv= +IR2 超级电容在不同充电模式下的充电速率2.1 恒压和恒流模式下的充电速率比较恒压（CV）充电是指在电容两端加以恒定的电压进行充电，直至两端电压达到目标电压。由于超级电容在充电的过程中，电压不断上升，使其与电源输出端电压的压差Ua-b减小，从而使充电电流逐渐减小。由公式 dv= +IR 可知，超级电容电压变化量与充电电流成正比，因此在恒压充电时，电容电压的上升速率逐渐减小，大大延长了充电时间。恒流（CC）充电是指以恒定的电流对电容充电，系统可以通过增大电源端的输出电压，来平衡逐渐上升的电容电压，使Ua-b趋于不变，从而使充电电流在一定范围内实现稳定。图2.1.1使用Multisim仿真软件进行仿真，显示了在初始状态和条件相同时，恒压和恒流两种充电方式的速率，显然，与恒压相比，使用恒流模式时，超级电容的充电时间在一定程度上被缩短了。2.2 恒流和恒功率模式下的充电速率比较恒功率充电是指保持超级电容充电功率不变的充电方式。在恒流充电模式中，只固定了充电电流，而超级电容上的电压则是逐渐上升的，因此其充电功率是逐渐增加到最高的。而通过对充电电流和超级电容两端的电压的采样，可以获得其瞬时充电功率并控制其稳定在一定范围内，可以实现充电功率的恒定。图2.2.1使用Multisim进行仿真，显示了恒流和恒功率两种充电模式的速率，显然恒功率模式所用的时间更短。3 电路组成介绍LTC3780是Linear公司推出的四开关 Buck-Boost电流模式同步控制器，具有4V至30V（最高36V）宽输入和输出范围以及工作模式之间的无缝传输的特点，且效率最高可达98%。控制电路如图3.1所示 。该恒功率控制电路由LTC3780的外围电路、MAX7143H高边电流采样电路、AD835模拟乘法器电路和LM358负反馈电路构成。其中，输出端串联一康铜丝采样电阻，将充电电流变为电压信号后经MAX7143H差分放大，因MAX4173H为固定的100V/V的增益，所以将放大后的信号经电阻分压后用通用运算放大器LM358构成的跟随器作为缓冲，接入下一级电路。同理，LTC3780输出端的电压信号也经过电阻分压，并通过缓冲器后接入下一级电路中。将上述两个处理好的分别代表电压（Y1）和电流（X1）的信号输入进由AD835构成的模拟乘法器中，输出信号W=X1Y1，由电功率公式P=IU可知，乘法器输出信号W代表了当前功率的k倍（0k2=100RcR2/（R1+R2），因此系数k=k1k2=100R2R4Rc/（R3+R4）（R1+R2）。本电路使用通用运算放大器LM358完成硬件闭环，设定功率由运放的反相输入端输入，运放输出端接入LTC3780的反馈引脚VOSENSE，运放同相输入端接入模拟乘法器输出作为功率采样。LTC3780对超级电容进行恒功率充电的波形图如图3.2所示。可见，恒功率充电在刚开始时，由于电容内电量极少，电压几乎为0，但因系统的被控量是功率因此此时充电电流非常大，充电速率很高。在电容电压升高的过程中为了保持充电功率不变，电流会逐渐减小，呈现一个近似于 的充电曲线。参考文献1张丽.精密数控直流电源的设计J.电子世界，2016（21）：63-64.2苏谢祖，颜钢锋.一种新型恒功率超级电容器快速充电机设计J.电子技术应用，2010，36（08）：73-76.3袁金垒.超级电容恒功率充放电控制系统研究D.大连理工大学，2015.4