法拉電容應用電路圖大全(八款模擬電路設計原理圖)

法拉電容是超級電容。超級電容器是介於傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，其容量可達幾百至上千法拉。與傳統電容器相比：它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度範圍和極長的使用壽命；而與蓄電池相比：它又具有較高的比功率，且對環境無汙染，因此可以說，超級電容器是一種高效、實用、環保的能量存儲裝置。法拉電容器的容量比通常的電容器大得多。由於其容量很大，對外表現和電池相同，因此也有稱作「電容電池」。法拉電容器屬於雙電層電容器，它是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。

法拉電容在RAM數據保護中的應用：

當電源正常時，5 V電源VCC通過快速整流二極體D1給RAM（U2：UT6264）供電，並通過R1給法拉電容（C1：FM0H104Z）充電。掉電時，D1截止，法拉電容C1作為備份電源，通過R1為U2供電，保證RAM中數據不消失。

在掉電過程中或電源出現波動時，為了增強RAM數據的安全性，採用了專用電源監控晶片（U3：IMP706），提供系統的監控功能。上電、掉電和電網電壓過低時會輸出復位信號，同時還能跟蹤1.6 s的定時信號，為軟體運行提供看門狗定時器（watchdog timer）防護。當電源電壓掉至約4.74 V時，U3向CPU（U1：AT89S52）輸出掉電信號（PW_DN），CPU進行掉電應急處理和保護現場，不向RAM晶片進行任何讀寫操作。當電源電壓進一步掉至4.4 V時，U3產生復位信號，CPU被復位，同時RAM晶片U2的片選引腳CE2也被置為低電平，確保U2不被讀寫操作。

4隻2.7V 100F超級電容串聯電路示例：使用MOS管進行外部擴流。

由於2.7V 100F電容容量大，同時需要大電流進行充放電，這時需要更大功率的洩放電路才能更好地保證電容單體不過壓，進而保護超級電容模組的工作安全。本示例核心採用BW6101+外部擴流MOS+大功率電阻，由於BW6101內部MOS管可靠地洩放電流為200毫安，所以更大的洩放電流必須由外部來完成，本電路可以允許幾安培的洩放電路，如果需要幾十安培以上的洩放電流，那麼需要更換大功率MOS管及更大功率的電阻。

在該應用中，於正常操作期間將兩個串聯超級電容器充電至 5V，以在主電源出現故障時提供所需的後備電源。只要主電源接入，LTC3536 將處於靜態電流非常低的突發模式 （Burst Mode） 操作，從而最大限度地減少後備存儲電容器的電量消耗。

LT3741 是一款固定頻率、同步降壓型DC/DC 控制器，專為準確地調節高達20A 的輸出電流而設計。平均電流模式控制器將在一個0V 至（VIN - 2V） 的寬輸出電壓範圍內保持電感器電流調節作用。已調電流由CTRL 引腳上的一個模擬電壓和一個外部檢測電阻器來設定。LT3741 運用了一種獨特的拓撲結構，因而能夠供應和吸收電流。已調電壓和過壓保護功能電路利用一個連接在輸出端和FB 引腳之間的分壓器來設定。開關頻率可通過一個外部電阻器或利用一個外部時鐘信號在200kHz 至1MHz 的範圍內進行設置。

通過太陽能電池為超級電容器充電的最簡單方法是使用二極體。在普通光照條件下，即使考慮到二極體造成的損耗，超級電容器也可充電到太陽能電池的開路電壓。下圖是超級電容器在二極體幫助下充電的原理圖。大多數系統都需要一個輔助過壓保護電路，以保護超級電容器以及後續的負載電子設備。

這種解決方案的簡捷性使之常為低成本太陽能附件選用。但是這種方法有許多不足之處。首先，它只能用於多體太陽能電池，太陽能電池的開路電壓高於超級電容器的過壓限值或所需的負載電壓。輸出低電壓的熱電採集器不能使用這種方法為蓄能元件充電。

另外，該電路將太陽能電池穩壓在蓄電介質電壓以上的一個二極體壓降上。這意味著蓄電介質上的電壓根據負載條件變化時，太陽能電池的穩壓點也會隨之移動。對於具有寬泛放電曲線的蓄電池或者電壓可隨負載需求發生明顯變化的超級電容器而言，這並非理想的解決方案，因為太陽能電池的電壓調整在遠離其最大功率點的位置。大多數低功耗電子系統中所需的輔助過壓保護電路也會消耗靜態電流，其可在低光照期間影響系統效率。

二極體充電的不足可使用專門用於與能源採集設備配套使用的集成電路克服。這類器件之一即為bq25504。這是一款超低靜態電流充電器IC，可對所連接的能源採集器進行最大功率點跟蹤（MPPT）。下圖是如何使用該器件為超級電容器充電的示意圖，為了清楚起見，圖中只顯示了必用的引腳。電阻器ROV1與ROV2用於設置超級電容器的過壓閾值。電阻器ROK1、ROK2與ROK3用於設置VBAT_OK信號的上下閾值，其可用於控制系統負載，以防超級電容器過度放電。太陽能電池與引腳VIN_DC相連。

由於超級電容器在過長時間沒有採集能源輸入時，通常會一直放電到0V，因此系統需要從蓄能電容器完全放空的情況下啟動。大多數專用能源採集充電器IC都具有冷啟動特性，只要輸入電源電壓高於一定水平，能啟動為處於完全放電狀態的蓄能元件充電。本例中電壓值為330mV。

使用升壓充電器IC為超級電容器充電的優勢之一在於能夠使用單體或雙體太陽能電池，與多體太陽能電池相比，其可為相同的太陽能電池面積提供更大的平均電源。該款內建過壓保護電路的 IC 有助於保護超級電容器及負載電子設備。用戶可編程型VBAT_OK電平可用於向負載電路發出開關信號。而且，一旦器件進入常規充電器模式，該IC的MPPT功能便可幫助將太陽能電池穩定在最大功率點上，從而可從太陽能電池中提取最理想的電源。

快充電路工作原理：

圖1為基於反激變換器的超級電容快速充電電路拓撲及控制框圖。包括輸入整流橋，反激變壓器，串聯在原邊的開關器件，副邊續流二極體，電流傳感器，副邊隔離電壓檢測及控制 PWM 信號產生電路。與傳統的反激電路相比，該超級電容快速充電電路去除了輸入端濾波電解電容，增加了電路的可靠性;將電流檢測電阻改為磁耦合檢測，降低損耗，並且可以同時檢測變壓器原邊和副邊電流，用以限制副邊充電電流;副邊電壓隔離檢測，用以控制超級電容充電截至電壓。主電路工作原理基本上與反激電路原理類似，但是控制電路結合超級電容初充電特性進行了設計，以滿足超級電容初次充電時長時間短路限流充電的要求。

圖1

圖2中A為電流檢測（Current Sensor）波形。用與變壓器相同的比例檢測原邊電流和變壓器副邊電流，由於變壓器原副邊與匝比成反比，檢測電流成為連續的電流波形。電壓比較器（Voltage Comparator），將檢測電流值與限幅值 Limit1 比較，當原邊電流值》=限幅值 Limit1 時，產生信號B，以產生驅動信號關斷功率管。

控制電路：

如果在整流輸出側接入電解電容，可以得到穩定的直流輸入電壓。由於鋁電解電容可能存在失效問題，以及壽命限制，使電路穩定性及工作壽命受到一定的影響，因此在快速充電電路中避免使用輸入鋁電解電容。將經過整流之後的脈動直流電壓，作為上限幅值Limit1 的參照，使輸入電流跟隨輸入電壓的波動調整，可以提高輸入功率因數。若將下限幅值 Limit2 設置為0，可使功率因數得到進一步的提高，但會增加輸出電流紋波量。

控制電路原理圖如圖所示。控制電路由運算放大器 LM358、比較器 LM393 和 RS 觸發晶片 CD4043等構成。採用與變壓器相同匝比的互感器進行電流檢測，互感器的同名端與反激變壓器一致。電流檢測信號經過 LM358 調理後與電流限幅值 Limit1 與 Limit2進行比較。二個比較器的輸出經過觸發器 RS4043 鎖存後作為 MOSFET 管驅動信號。輸出側電壓檢測作為充電終止信號，控制 CD4043 使能端。

本電路圖是關於36VIN、5.6A、兩節2.5V 串聯超級電容器充電器電路連接圖：

LTM8026 是一款 36VIN、5A 恆定電壓、恆定電流 （CVCC） 降壓型 μModule® 穩壓器。封裝中內置了開關控制器、電源開關、電感器以及支持組件。LTM8026 可在一個 6V 至 36V 的輸入電壓範圍內運作，可支持 1.2V 至 24V 的輸出電壓範圍。CVCC 操作使 LTM8026 能在整個輸出範圍內準確地調節其高達 5A 的輸出電流。輸出電流可利用一個控制電壓、單個電阻器或一個熱敏電阻來設定。僅需採用負責設定輸出電壓和頻率的電阻器以及大容量的輸入和輸出濾波電容器便可實現完整的設計。

LTR3741組成的5V，20A超級電容充電電路：

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