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导读：超级电容器是自主供电系统中重要的蓄能机制。其蓄能能力强，支持高功率输出，是超低功耗无线传感器节点系统的理想选择。但超级电容器在低能源采集输入期间会大量放电。
从初始充电阶段到超级电容器达到额定电压，用于为超级电容器充电的能源采集 IC 都处于低效率阶段。这可导致每次系统从深度睡眠状态恢复，都需要长时间等待至超级电容器充电至可用水平，其严重妨碍了超级电容器的广泛应用。本文将介绍与现有系统相比，可将超级电容器充电速度加快超过20倍的方法。本文所介绍的解决方案采用太阳能电池作为能源采集器。这些解决方案也可用于其它能源采集应用。
简单二极管充电器
通过太阳能电池为超级电容器充电的最简单方法是使用二极管。在普通光照条件下，即使考虑到二极管造成的损耗，超级电容器也可充电到太阳能电池的开路电压。图1是超级电容器在二极管帮助下充电的原理图。大多数系统都需要一个辅助过压保护电路，以保护超级电容器以及后续的负载电子设备。
这种解决方案的简捷性使之常为低成本太阳能附件选用。但是这种方法有许多不足之处。首先，它只能用于多体太阳能电池，太阳能电池的开路电压高于超级电容器的过压限值或所需的负载电压。输出低电压的热电采集器不能使用这种方法为蓄能元件充电。
另外，该电路将太阳能电池稳压在蓄电介质电压以上的一个二极管压降上。这就意味着蓄电介质上的电压根据负载条件变化时，太阳能电池的稳压点也会随之移动。对于具有宽泛放电曲线的蓄电池或者电压可随负载需求发生明显变化的超级电容器而言，这并非理想的解决方案，因为太阳能电池的电压调整在远离其最大功率点的位置。大多数低功耗电子系统中所需的辅助过压保护电路也会消耗静态电流，其可在低光照期间影响系统效率。
二极管充电器的主要优势在于其为彻底放电状态的超级电容器充电所需的时间。图2是120mF超级电容器如何采用支持ISC=1mA短路电流以及VOC=2V开路电压的3S太阳能电池从完全放电状态进行充电。粉色线对应的是太阳能电池输出(VIN)，而蓝色线则对应的是超级电容器的电压(VSUP)。超级电容器从0V充电到1.8V耗时约为205秒。VIN与VSUP之间的差异即为二极管上的压差。使用二极管充电器为超级电容器充电到 VX 电压所需的时间可大致用等式1表达：
使用1mA ISC将120mF超级电容器充电到1.8V，等式1计算出的时间是216秒，这与实际观测到的时间很贴近。即便使用二极管充电器充电时间很短，上面提到的不足也导致了这种解决方案未能广泛应用于各种能源采集系统。
二极管充电的不足可使用专门用于与能源采集设备配套使用的集成电路克服。这类器件之一即为bq25504。这是一款超低静态电流充电器IC，可对所连接的能源采集器进行最大功率点跟踪(MPPT)。图3是如何使用该器件为超级电容器充电的示意图，为了清楚起见，图中只显示了必用的引脚。电阻器ROV1与ROV2zjgztb.com用于设置超级电容器的过压阈值。电阻器ROK1、ROK2与ROK3用于设置VBAT_OK信号的上下阈值，其可用于控制系统负载，以防超级电容器过度放电。太阳能电池与引脚VIN_DC相连。
由于超级电容器在过长时间没有采集能源输入时，通常会一直放电到0V，因此系统需要从蓄能电容器完全放空的情况下启动。大多数专用能源采集充电器IC都具有冷启动特性，只要输入电源电压高于一定水平，就能启动为处于完全放电状态的蓄能元件充电。本例中电压值为330mV。
图4是使用与之前相同的3S太阳能电池(即51bayu.comISC=1mA及VOC=2V)为处于完全放电状态的120mF超级电容器充电的图示。超级电容器从0V充电到1.8V，充电耗时大约为6000秒(1小时40分钟)。
在以上实例中，升压充电器IC以冷启动模式起动，此时VIN调节为接近330mV。在冷启动过程中，连接至VBAT引脚的超级电容器通过一个内部二极管从VSTOR充电，导致VSTOR与VSUP之间存在0.3V的压差。当VSTOR到达1.8V，即达到IC退出冷启动模式的内部阈值，器件就进入常规充电模式，充电效率显著提高。这可从充电曲线的坡度突变观察到。在达到过压条件之前的常规充电模式下，太阳能电池稳压在大约1.6V，接近其MPP。当超级电容器达到使用电阻器ROV1与ROVlx780.com2设定的过压点4.2V时，充电结束。
使用升压充电器IC为超级电容器充电的优势之一在于能够使用单体或双体太阳能电池，与多体太阳能电池相比，其可为相同的太阳能电池面积提供更大的平均电源。该款内建过压保护电路的 IC 有助于保护超级电容器及负载电子设备。用户可编程型VBAT_OK电平可用于向负载电路发出开关信号。而且，一旦器件进入常规充电器模式，该IC的MPPT功能便可帮助将太阳能电池稳定在最大功率点上，从而可从太阳能电池中提取最理想的电源。
