當(dāng)為超級(jí)電容器充電所需的額外電流開銷最小時(shí)，前端轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)可以變得不那么復(fù)雜。本應(yīng)用筆記解釋了如何配置可逆降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，以便在充電階段減輕對(duì)系統(tǒng)的影響。將充電電流要求設(shè)置為最小值可保持放電電流可用性不變。

介紹

低功耗、便攜式和電池供電設(shè)備領(lǐng)域的快速發(fā)展需要強(qiáng)大且多功能的備份解決方案，以保持系統(tǒng)正常運(yùn)行而不會(huì)中斷。

為避免高電流放電周期，建議以較低的速率排空主電源，尤其是在操作的初始狀態(tài)下，當(dāng)它通常參與喚醒主系統(tǒng)單元時(shí)。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是在正常運(yùn)行期間禁用超級(jí)電容充電，并在系統(tǒng)處于睡眠模式時(shí)啟用充電。另一種方法是從工作開始就將充電電流限制在較低的電平，這樣主系統(tǒng)工作就不會(huì)受到MAX38888工作的影響。這樣，電池就不會(huì)經(jīng)歷高放電率周期，并且可以提高效率。

MAX38888是康體佳器件中高度集成、單節(jié)、高效的超級(jí)電容（SCAP）備份方案。它具有電阻可選電壓和充電/放電電流設(shè)置。它使用單個(gè)電阻器來(lái)設(shè)置充電和放電電流選項(xiàng)。本應(yīng)用筆記旨在演示和擴(kuò)展MAX38888的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)需要不同充電/放電電流設(shè)置的眾多應(yīng)用。

MAX38888的工作原理

Maxim的MAX38888可逆降壓/升壓穩(wěn)壓器位于康體中?備用電源穩(wěn)壓器系列，使用超級(jí)電容器或電容器組。MAX38888設(shè)計(jì)用于在存儲(chǔ)元件和系統(tǒng)電源軌之間高效傳輸電源。當(dāng)主電池存在且高于最小系統(tǒng)電源電壓時(shí)，穩(wěn)壓器以降壓模式工作，并以高達(dá) 500mA 的速率為存儲(chǔ)元件充電。一旦存儲(chǔ)元件充電，電路僅吸收2.5μA的電流，同時(shí)保持超級(jí)電容器或其他存儲(chǔ)元件處于就緒狀態(tài)。當(dāng)主電源被移除時(shí)，穩(wěn)壓器以升壓模式工作，防止系統(tǒng)降至最小工作電壓以下，從而以高達(dá)2.5A的速率對(duì)存儲(chǔ)元件放電。MAX38888可從外部編程存儲(chǔ)元件的最小和最大電壓，如SCAP、最小系統(tǒng)電壓以及最大充放電電流。峰值電感放電電流通過(guò)放置一個(gè)從ISET到GND的電阻來(lái)設(shè)置。RISET電阻器的值由以下公式計(jì)算：

放電電流 =

超級(jí)電容器充電電流在內(nèi)部設(shè)置為放電電流的1/5。

充電電流 =

建議將 RISET 的值設(shè)置為 20kO 和 100kO 之間，以確保準(zhǔn)確的電流合規(guī)性。

圖1.MAX38888的典型應(yīng)用圖，具有比例充電/放電電流設(shè)置。

MAX38888的特性包括：

2.5V至5V系統(tǒng)輸出電壓

0.8V至4.5V電容電壓范圍

高達(dá) 2.5A 的峰值電感放電電流

可編程電壓和電流閾值

±2% 閾值精度

效率高達(dá) 95%，充電或放電

2.5μA 就緒靜態(tài)電流

高度集成和小解決方案尺寸

3 毫米 x 3 毫米 x 0.75 毫米 TDFN 封裝

備用電源應(yīng)用

儲(chǔ)能應(yīng)用

需要更低的超級(jí)電容充電電流配置

在許多短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，雖然設(shè)備的平均電流消耗很低，但瞬時(shí)電流可能很高。例如，休眠電流為1μA、峰值有效電流為20 mA的收發(fā)器每?jī)擅雴拘岩淮?，并保持工作狀態(tài)5ms。平均電流消耗僅為50μA，但峰值電流為20mA，可能會(huì)對(duì)電池的實(shí)際容量產(chǎn)生不利影響，特別是如果大電流放電期間之間沒有足夠的時(shí)間讓電池休息和恢復(fù)。

當(dāng)電池以高且持續(xù)的速率放電時(shí)，即使電池中仍有活性物質(zhì)殘留，電池也會(huì)達(dá)到其使用壽命。但是，如果放電速率不連續(xù)并且存在截止或非常低的電流周期，則活性材料的傳輸速率會(huì)趕上材料的耗盡，從而使電池有機(jī)會(huì)恢復(fù)在高放電速率下?lián)p失的容量。要使電池成為特定系統(tǒng)的可行選擇，它必須滿足系統(tǒng)對(duì)尺寸、電源電壓以及系統(tǒng)運(yùn)行所需的平均和最大動(dòng)態(tài)電流的系統(tǒng)要求。為用于備份應(yīng)用程序的存儲(chǔ)設(shè)備充電不應(yīng)滿足實(shí)際的系統(tǒng)電源要求。

圖2.演示需要較低充電電流設(shè)置的應(yīng)用。

大多數(shù)系統(tǒng)要求充電電流與放電電流成正比。但是有一些特殊的有限能量應(yīng)用，其中系統(tǒng)需要較低的充電電流，同時(shí)保持放電率不變。例如，SCAP充電電流由電感峰值電流限值500mA設(shè)定，這對(duì)應(yīng)于更高的放電電流要求。在這種情況下，充電電流約為250mA。在圖2中，MAX38888需要更高的充電電流。反過(guò)來(lái)，無(wú)論負(fù)載如何，都會(huì)對(duì)前端轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生影響。主電源是能量有限的，特別是在整個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)運(yùn)行期間。

圖3.MAX38888的充電和放電曲線工作臺(tái)結(jié)果，按比例充電/放電電感電流設(shè)置。

如何分別配置充電和放電電流

下表顯示了在特定條件下使用解決方案的示例。

圖4.MAX38888圖，修改電路，用于不同的充電/放電電流設(shè)置。

MAX9063用作附加電路的一部分，以包含本應(yīng)用中提到的特性。它是一款毫微功耗比較器，集成電壓基準(zhǔn)為 200mA，額定功耗僅為 40nA。比較器跳變點(diǎn)在 SYS 引腳側(cè)使用另一個(gè)分壓器 R5 和 R6 進(jìn)行配置，以激活基于 VSYS 電平的 nMOS 信號(hào) MOSFET。

對(duì)于 3.0V 的穩(wěn)壓備份電壓，當(dāng) SYS 電壓高于 3.36V 最小值時(shí)，SCAP 開始充電。在SCAP充電期間，比較器MAX9063輸出處于邏輯低電平（VIN > 200mV）。因此，Q1 （nMOS） 被關(guān)閉，確保有效 RISET 值不變?yōu)?100K？。結(jié)果是在降壓工作模式下最慢的充電電感峰值電流配置為~100mA。

當(dāng)VSYS電壓降至放電門限電壓電平以下時(shí)，MAX9063的IN電壓降至200mV以下，觸發(fā)比較器輸出至邏輯高電平，開啟Q1。RIS2 接地并充當(dāng) RIS1 的并聯(lián)電阻器，在有效 RISET = 100K ||的情況下將充電（升壓模式）電感峰值電流更改為最大25K = 20K。這導(dǎo)致放電階段的最高電感峰值電流配置為~2.5A。

設(shè)計(jì)外部電路，分別配置充電和放電電流

MAX9063的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 = 200mV

為 3.0V 穩(wěn)壓輸出的 SCAP 充電所需的最小 SYS 電壓 = 3.36V

將比較器的跳變電壓設(shè)置為3.3V

選擇 R6 = 976K？

MAX9063漏極開路輸出以100K上拉至SYS電壓？上拉電阻。

圖4.MAX38888圖，修改電路，用于不同的充電/放電電流設(shè)置。

物料清單

結(jié)論

當(dāng)應(yīng)用的系統(tǒng)源是能量受限的或能量收集器系統(tǒng)的一部分時(shí)，在備份階段，在不放松負(fù)載電流要求的情況下，需要較慢的SCAP充電電流。在充電和備份模式下，通過(guò)使用帶有外部元件的附加電路，支持更改的 RISET 電阻器設(shè)置。Continua 系列器件足夠靈活，可以支持主要由電池供電的低功耗電子產(chǎn)品應(yīng)用，例如遠(yuǎn)程傳感器和嵌入式設(shè)備。

審核編輯：郭婷