超级电容作为独立电源在电子测压器中的应用

程亚杰，李新娥

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

电容式电子测压器是直接放入火炮药室，在发射药燃烧过程中实时测取火炮发射时的膛压曲线。根据电容式电子测压器的指标要求，测压器的体积小于等于22 cm3，相应的，供电电源的前提要求是微型体积。目前电容式测压器采用的电源是定制的聚合物锂电池[1]，针对锂电池存在的寿命有限，电池容量高低温下不稳定，而且测压器的拆卸不方便，为此提出了用超级电容作为供电电源的方法。

电源选用5.5 V/0.33 F超级电容Eecs0hd334h，负载所需电压为3.3 V，所以首先设计降压电路，选用降压芯片ams1117-3.3 V，其次负载需要稳定的电压，由MSP430检测终端输出的电压值与设定的供电电压值3.3 V相比较，用PID算法所产生的PWM控制输出调节，最终使输出电压达到所需要的额定值。

1 低功耗的电容式电子测压器

电容式电子测压器由传感器、电路、加速度传感器智能开关和软件组成。利用电容充放电原理设计的微小电容检测电路作为电子测压器的重要组成部分，主要由信号调理电路模块、电源管理模块、高频晶振、SOC处理器和非接触式接口电路组成。限制于测压器的体积，随之也限制了供电电源的体积，相应地，电源容量也被限制，因此超级电容单独供电时，负载为低功耗尤为重要。为了实现系统的低功耗，电路在需要工作时给其供电，不需要工作时断电，减小电路不必要的功耗。电源控制技术是电容式电子测压器低功耗的关键技术，并且采用对系统各部分单独供电的方法，即对于各个模块在不同状态下是否需要工作的状况，选用通过SOC控制各独立电源的打开与关闭，为其提供电源或者切除电源，以消除无效损耗，实现系统微功耗的目的[1]。电容式电子测压器原理如图1所示，电容式电子测器各工作状态与其期间所消耗的功耗[2]如表1所示。

图1 电容式电子测压器原理Fig.1 Schematic diagram of capacitive electronic manograph

表1 电容式电子测压器各状态持续时间、功耗Tab.1 Capacitive electronic manometers each state duration，power consumption

表1为系统在每个状态持续的时间及功耗，温度对电容式测压器的功耗有影响，特别是低温条件下，电子测压器的功耗会降低。

对于CMOS电路，功耗满足：

式中：P为静态和动态的功耗总和；i为系统状态；VDD为数字电路电压；VCC为模拟电路电压；fCLK为时钟频率；C为负载电容。

每个状态的总耗电量：

式中：Qc是电子测压器在常温状态下所需的总耗电量；Qh是电子测压器在高温状态下所需的总耗电量；Ql是电子测压器在低温状态下所需的总耗电量。

2 超级电容选型

超级电容作为一种新型电力储能器件，是一种介于静电电容器与电池之间具有特殊性能的新型储能元件，通过极化电解质来储能，这种储能过程是可逆的。优点是功率密度高、快速充放电、循环寿命长、工作温度范围宽、在很小体积下达到法拉级的电容量，无需特别的充电电路和控制放电电路。像电池一样具有较大电荷存储能力。选择超级电容时，根据功率要求、放电时间、系统电压变化来选择。参照最高工作电压、工作截止时间、平均放电电流、放电时间多长这些参数。

根据电容式电子测压器的指标要求，测压器的体积小于等于22 cm3，系统工作电压3.3 V，功耗最高0.5 mA·h。降压稳压输出电路系统选择的芯片ams1117-3.3 V最高工作电压12 V，最低工作电压4.75 V，输出电压3.3 V。根据这些参数，选择Panasonic SD系列超级电容器Eecs0hd334h，0.33 F/5.5 V，产品信息如表2所示。

3 超级电容放电电源电路的硬件设计

通过超级电容的充放电特性，利用超级电容给低功耗系统的电容式电子测压器供电。研究和设计超级电容的放电以及控制电路，首先在电路中实现一个降压功能，将所选超级电容EECS0HD334H提供的额定电压5.5 V下降到电子测压器电路需要的3.3 V电压；然后在电路中设计稳压控制的功能，这个控制电路通过对输出电压的反馈与控制，使电压持续保持在3.3 V上，从而更安全高效地给负载端提供稳定的电压。

表2 超级电容Eecs0hd334h产品信息Tab.2 Super capacitor Eecs0hd334h product information

3.1 超级电容充电电路

超级电容可反复充电，直接接上电源就可以直接充电，不需要复杂的充电保护电路，只要充电电压不高于其额定的最大工作电压即可[2]。超级电容EECS0HD334H耐电电压5.5 V，充电时施加在电容两端的电压要小于其耐压值，合理充电电压为5 V或以下，尖峰电压达到5.7 V。超级电容与50 Ω的电阻R1串联在电路中，超级电容两端电压加上电阻R1两端电压等于电源电压。在R1两端并联一个LED发光二极管，用来检测R1两端的电压，给发光二极管串联一个限流电阻200 Ω R2，避免充电初期高电压导致二极管烧坏，以保护发光二极管[3]。刚开始充电时，超级电容两端电压比较低，LED发光二极管D1两端得到的电压比较高，开始发光，说明充电进行中；当超级电容逐步充上电后，两端的电压升高，同时 LED得到的电压在下降其发光的亮度也会变暗；超级电容充电到一定程度后，D1获得的电压低于导通电压时，发光二极管熄灭，提醒充电结束。当D1熄灭时，超级电容还没充满电，充电还会继续，不用担心充电过度问题。选用的发光二极管D1要求导通电压尽量低些，在熄灭时超级电容可以得到更多的电压[4]。充电电路如图2所示。

3.2 超级电容放电降压电路

实现电路降压稳压功能的方式有稳压管稳压、三极管反馈稳压、集成芯片稳压等方式。本电路选用集成芯片稳压方式，选ams1117-3.3 V降压稳压器，芯片资料如图3所示，基本参数如表3所示。

图2 超级电容充电图Fig.2 Super capacitor charging diagram

图3 ams1117-3.3 V稳压器Fig.3 ams1117-3.3 V regulator

表3 ams1117-3.3 V芯片资料Tab.3 ams1117-3.3 V chip data

从资料中得出，稳压芯片ams117-3.3 V是一种输入电压为 4.75 V～12 V，输出电压为 3.3 V 的正向低压降稳压器，通过对输出电压采样，然后反馈到调节电路去调节输出级调整管的阻抗，当输出电压偏低时，就调节输出级的阻抗变小从而减小调整管的压降，当输出电压偏高时，就调节输出级的阻抗变大从而增大调整管的压降，因此维持输出电压的稳定。应用超级电容和降压稳压芯片的降压电路[5]如图4所示。

图4 超级电容降压稳压电路Fig.4 Super capacitor step-down regulator circuit

C1是超级电容供电电源；D0是发光二极管，起检测电路是否工作的作用；R0是D0的限流电阻，使D0在上电时能工作在正常状态下，D0的正常工作电流是 10 mA～20 mA，取 R0为 275 Ω；C2和 C3都是输出滤波电容，作用是减小输出电压纹波并抑制AMS1117的自激振荡，C2是高频滤波电容，减小由于负载电流瞬时变化引起的高频干扰，取0.1 μF；C3是低频滤波电容，减小输出脉动和低频干扰，取4.7 μF[6]。

超级电容C1作为电源供电，输出电压从5.5 V呈指数下降；AMS1117-3.3 V稳压芯片工作电压为4.75 V～12 V；由此C1的供电电压下降到4.75 V后，电路停止工作。在电路串联一个LED发光二级管D0用来检测电路是否处于工作状态。为了保证电路电压信号的稳定性，在稳压芯片输出端加入滤波电路。

超级电容外接负载，随着放电时间延长，超级电容输出电压的变化呈指数函数下降，微小的电压波动都会影响到整个系统的稳定性，变化的电压不可以直接作用于负载。为了避免由于超级电容电压的降低影响负载的正常工作，需要电压控制电路达到稳定输出电压的目的，从而提高超级电容储能的利用率。因此采用超级电容作为独立电源供电时，输出的电压经过稳压后再接入负载。

滤波电容并联在电路输出端不仅使电源输出更平稳，还吸收电子电路工作过程中产生的电流波动使得电子电路的工作性能更加稳定[7]。

3.3 超级电容输出电压稳压控制

稳压控制功能：控制电路能够通过对输出电压的反馈与控制使电压保持在3.3 V上。通过MSP430对电路控制的方法是通过调整由MSP430输出的占空比的PWM波形，MSP430芯片控制电路如图5所示。

图5 单片机MSP430芯片控制电路Fig.5 MCU MSP430 chip control circuit diagram

电路通过ams1117芯片降压输出电压为3.3 V，单片机所需要的电压也为3.3 V，通过单片机的A3端口采集电路输出端的电压，再把模拟量转换成数字量，将采集到的电压与事先单片机内编写设定好的额定值3.3 V进行比较，如果采集到的电压值与3.3 V有误差，通过单片机内部的算法控制，由端口P4.0产生一个PWM波形图，对输出的PWM波形进行调整后输出，调整后将电压保持在3.3 V，可以给负载供电。

4 超级电容理论电量计算

所选超级电容充电完成后，电容两端电压为5.5 V； 稳压芯片 ams1117-3.3 V 最低工作电压为4.75 V。根据超级电容的储能特点，其电压从5.5 V下降到4.75 V时，单体所释放的能量[8]为

式中：W是电源所释放的能量；Umax是电源输出最大电压；Umin是电路工作最小电压；C是超级电容的电容量；U是负载端的电压；I是负载端的电流；t是电路工作时间。

单体电容所能提供电量为

单体电容不足以提供负载电量。所以选择两个电容串联作为电源为电路供电。两个5.5 V/0.33 F的电容进行串联作为电源，电源电压增大，电容总容量减小。

式中：U′是两个超级电容串联作为电源时电源端的总电压；U1，U2是单个电容两端的电压；C′是两个超级电容串联的电容量；C1，C2单个电容的电容量。

稳压芯片ams1117-3.3V工作电压范围为4.75 V～12 V，所以串联的两个超级电容能够作为稳压芯片的驱动。以两个串联的电容作为电容，按图2所示电路图驱动负载，电源理论上所能提供能量为

式中：W′是串联超级电容可以提供的能量。

根据能量守恒定律，负载所能得到的能量为8.121 J。

输出的电压为 3.3 V，负载端的电压为 3.3 V，所以负载能得到的电量理论上为

式中：Qz为电阻作为负载时负载所得电量。

由于Qz大于Qc、Qh、Ql，所以两个串联的超级电容Eecs0hd334h作为电容式电子测压器的供电电源在理论上可行。

5 超级电容实测

为了方便实验，电路负载选择用220 Ω电阻代替电容式电子测压器，对电源的供电情况进行测试。负载为220 Ω，电压为3.3 V，因此负载端的电流为15 mA。电容式电子测压器在常温、高温、低温三种状态下最大的耗电量为 0.51 mA·h，即 1.8 A·s。所以：

式中：Q为负载所需电量；I为经过负载的电流；t为电路工作时间。

所以只要电路实测出来的时间只要超过120 s，则说明两个超级电容串联作为电源供电可行。

按照图4所示电路图连接实物，负载接220 Ω电阻，将LED灯亮的时间作为电路工作的时间，即电源输出电压的时间。分别对超级电容进行3次充放电，经测试 3次的时间分别为 187 s，163 s，169 s，3次测得的时间均大于120 s，所以串联的2个超级电容可以为负载为220 Ω的电阻供电达到要求的负载。

6 结语

超级电容放电电路经过降压、稳压、滤波后可以输出稳定的输出电压，所以稳压电路所选择元器件合理。一个超级电容作为电源为电路供电不足以供给负载足够的功耗，为此选择两个相同的超级电容串联起来给负载供电。利用220 Ω的电阻为电路负载时，超级电容可以满足负载0.5 mA·h的功耗，电容式电子测压器在常温、高温、低温三种状态下所需的功耗也在电源可以供给的功耗范围内，将超级电容EECS0HD334H两个串联起来作为电容式电子测压器的电源是合理的。