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1、超级电容在陀螺摆中的应用1.说明德国摆式陀螺寻北仪GYROMAT2000采用直流陀螺马达，同步工作的功耗小于0.7W。为了消除外部供电导流丝的影响，采用电池装入陀螺房的结构。为此带来的新问题是更换电池工作十分复杂。为了解决此问题，多年来一直设想是否能将电池用超级电容器代替？但是由于当时的超级电容采购困难并且“储能/体积比”尚不能满足放入陀螺房里的要求因而无法实现。近年来超级电容发展很快，就目前了解的情况看，有可能实现上述设想。升压DC/DC最小输入电压为0.35VMicrochip公司的PC16402.特点超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄
2、电池是不同的。超级电容单体为低压元件，2.7V和5V，由于容差的存在，不宜采用简单的办法进行串联。只能采用并联-串联方法，通过使用升压DC/DC变换为20V稳压直流以便为直流陀螺马达驱动电路供电并且假设DC/DC和其他电路的效率为80。在设计从外部电源向超级电容电源自动切换电路时可考虑使用理想二极管电路以降低普通二极管切换电路组成的二极管正向压降大的损失。3.外电源快速启动无起动电流限制为了快速启动，通常希望马达驱动采用较高的启动电压以便得到较高的启动电流。由于摆式陀螺寻北仪不允许陀螺房在开锁状态下启动的，否则将会由于陀螺马达的惯性力矩作用于陀螺房而损伤悬带和导流丝。陀螺房的锁定启动要求正好有
3、利于利用强大的外部供电电源进行快速启动。通常起动电流比同步运行的电流大10倍以上。在允许更高的起动电源的条件下，例如45V，估计有可能将目前707的陀螺马达启动时间缩短到15s。马达同步（进入低功耗状态）之后，陀螺房开锁，外部电源断开，同时自动转换为陀螺房内部的超级电容（低功耗状态）供电，此过程利于降低对超级电容容量的要求。4.用电量和超级电容的容量的估算4.1.用电量估算 超级电容储能的估算以瓦时（）计算，因此设备用电量也需要按计算。其中应该考虑的工作电路的效率。陀螺马达在起动和制动时虽然为最大功耗状态但是此时是锁定状态由外部电源提供，只有马达进入同步转速即作为低功耗时陀螺房开锁之后超级电容
4、才开始供电，为此这里的用电量不包括起动和制动的功耗。以GYROMAT-2000为例，其直流马达功耗0.7W,一次寻北的工作时间7min（7/600.117.3h）。如果驱动电路的效率为80，则总的功耗为对于目前十五所所用的直流马达同步工作状态的功耗W，寻北测量工作时间min（1/60.17h）。电路的效率为80则陀螺马达功耗0.22。新的寻北仪希则望寻北时间5min或者更少。除去陀螺马达供电之外，有些寻北仪具有对陀螺摆进行加矩控制的系统还需要为陀螺房内直流力矩线圈加入恒定激励电流(控制绕组设置为定子)，此电流也必须由超级电容提供电源。通常激励电流分“粗精”两档，假设粗寻北档恒流源激励电流为20
5、0mA（假设电压为5V）,工作时间60s；精寻北档恒流源激励电流为1mA（假设电压为V），工作时间为10min并且假设电路的工作效率为80%则加矩线圈激励的平均功耗为： 总的功耗为4.2.电容的利用率目前单体超级电容的最高额定充电电压仅为5.5V，而陀螺马达的驱动电路和恒流源电路需要22V30V稳压供电，这就需要多个单体电容进行串联使用，假设采用4个单体串联为额定22V。另外，超级电容的输出电压是随着放电量的增加而下降，为此需要采用升压降压DC/DC变换为稳压输出。DC/DC/马达驱动电路的效率估计为80%.和电池一样，低温条件下电容量下降为常温额定电容量的80%,则相当于利用率仅为。这就意味
6、着为了满足上述0.22W的功耗，需要选用0.33W的电能。另一个需要考虑的问题是，超级电容随着存放时间的加长，电容量也会逐渐减小，例如20年之后的电容量可能减少20%，电池也存在此特性。关于单体耐压问题以下原因希望单体耐压越高越好：（1）储能量与电压的平方成正比:(2)超级电容应用电路中的均压电路部分比较复杂因此串联工作提高工作电压的方法受到一定限制。目前已有两级串联的单片均压电路。当然为了简减少引线尚须进行某些改进。(3)陀螺马达驱动电路供电电压为20V35V,因此希望理想的单体耐压超过35V,目前最高耐压为5.5V;(4)充电安全;（5）简化DC/DC;（6）由于存在降低最小放电电压值，单
7、体耐压越高，有效放电率也就越高。超级电容技术（超级电容和应用电路）在逐日改进和提高，特别是解决单体耐压问题，前面给出的温度特性和存储特性是出自10年前的资料。半年前中关村电子市场已可买到单体耐压达5.5V，1F的超级电容而近期（2012年4月）可买单体5.5V，1.5F的,网上可查到单体5.5V，4F的。以单体耐压为5.5V，1.5F为例，两个串联为11V（有效放电电压为10V），为了扩大电容量需要15个1.5F的电容并联为22.5F。因此30个单体可构成耐压11V,22.5F的超级电容。目前DC/DC的最低输入电压可达1V,则有效放电电压为10V。4.3.电容量的估算电容总的储能量为 (以放
8、电电压直到0V为止)上式指出，储能量与电压的平方成正比，可见提高单体耐压的意义。 式中 储能量，量纲为“瓦小时” 串联之后的电容量，法拉 串联组的电压3600 量纲换算常数缩短寻北时间、降低DC/DC的最低工作电压和提高单体电容的耐压是减小超级电容的主要途径。4.3.关于串联组合有效工作电压变化幅度与串联之后的额定充电电压和DC/DC最低输入电压也即允许最低放电电压有关.假设采用动态5.5V的两级串联,DC/DC最低允许输入电压为1V,则5陀螺马达控制指令的传输 由于全部省去了导流丝，当陀螺房开锁之后如果需要对陀螺马达的工作状态进行某些控制，例如陀螺房力矩线圈激励电流的粗精两档的切换控制命令和
9、零偏力矩的补偿等则可考虑采用光电信号传输或者其他无线传输方法。7关于快速充电虽然超级电容允许快速充电的能力但是提供快速充电的电源即提供瞬时大电流的充电电源可能需要太大的体积。充电时间和电流的估算充电电压应该以0V到额定11V。按20f计算，30s之内充电。 充放电量： 显然采用普通电源无法输出如此大的电流。建议充电电源内安装更大电容量的超级电容,例如大200f,可以提供短时间大电流充电。此大电容需提前充电或者电池随时在充电状态。另一个方法是，使陀螺房电容经常处于外接小电池（通过串联限流电阻）预充状态。由于此电池是陀螺房外部设置的电池可以方便的更换。但是由于小电池充电需要较长的时间因此此方法不利
10、于连续间隔时间过短的多次寻北。 8.电容体积的估算 电容体积大小是决定此方案能否实现的重要条件。9.关于进口GYROMAT-2000的改造 近十多年，内国内进口了数量可观的德国GYROMAT-2000陀螺寻北仪，每年（轮换着）用于返厂更换陀螺房内电池的费用可观，如果将其用超级电容代替则可彻底解决电池更换的问题，承揽这一工作也是一笔可观收入。9陀螺房内部电路的结构设计 电 路 板超 级 电 容陀螺房力矩线圈陀螺房陀螺马达光耦组成的两级串联超级电容均压电路方案(见EDN- 2012-N9-P47)过压保护 值得注意的是:升压DC/DC最低输入工作电压可以在0.5V以下但是上述均衡电路中的运放的最低
11、工作电压要在3V以上!光耦组成的三级串联超级电容均压电路方案设想?过压保护凌力尔特推出两节超级电容器充电器系列的最新产品LTC4425凌力尔特公司 (Linear) 推出两节超级电容器充电器系列的最新产品 LTC4425，该产品系列在便携式和数据存储应用中满足大峰值功率、数据备份和拯救“濒临电源崩溃”的需求。该器件采用具热量限制的线性恒定电流 - 恒定电压 (CC-CV) 架构，从锂离子/聚合物电池、USB 端口或其它 2.7V 至 5.5V 的电流受限电源，将两节串联的超级电容器充电至可编程的输出电压。LTC4425 具有两种运行模式：充电电流曲线 (典型) 模式和 LDO 模式。在充电电流
12、曲线模式时，该器件将超级电容组的顶端充电至输入电压 VIN，所用的充电电流与输入至输出电压之差的变化相反，以防止产生过大的热量。LDO 模式将超级电容器组充电至外部设定的输出电压，所用充电电流是固定的，而且也是外部可编程的。充电电流可用电阻器编程至高达 2A (峰值为 3A,估计可用?)，而且每个电容器都通过内部并联 (可选 2.45V/2.7V,今后可能会有5.5V的?) 而受到保护，以防过压。LTC4425 内置的电流受限理想二极管具有极低的 50m 导通电阻，以防止 VIN 向后驱动，从而使该器件非常适用于多种大峰值功率电池和 USB 供电的设备、工业PDA、便携式仪表和监视设备、功率计
13、、超级电容器备份电路以及 PC 卡/USB 调制解调器。LTC4425 的自动能量平衡功能保持两节超级电容器有相等的电压，从而无需用于平衡的电阻器，同时保护每节超级电容器免受过压损坏，并最大限度地减少电容器的漏电流。当输出电压处于稳定状态时，该 IC 以非常低的 20uA 静态电流运行，而在停机时仅从 VIN 或 VOUT (视哪一个电压较高) 吸取 2A 电流。基本充电电路仅需要 6 个外部组件，而且是高度紧凑，采用占板面积为 9mm2的纤巧封装以及有引线的封装。其它关键特点包括一个 VIN 电源故障指示器以及通过 PROG 引脚连续监视 VIN 至 VOUT 的电流。其它保护功能包括电流和
14、热量限制，该限制可在温度过高的情况下降低充电电流。LTC4425 采用两种紧凑的耐热增强型封装：12 引线扁平 (0.75mm) 33mm DFN 封装和 12 引线 MSOP 封装。在 -40至+85的工作结温范围内工作有保证。LTC4425 有现货供应，千片批购价为每片 2.25 美元。照片说明： 具自动能量平衡功能的 2A 两节线性超级电容器充电器采用 6 个串联的 10F、2.7V 超级电容器和前端反激式稳压器的 12V 电源故障保护应用时间：2010-10-21LTC3225 是一款可编程超级电容充电器，专为从低至 2.8V 至 5.5V 的输入把两个串联的超级电容器充电至一个可选的
15、输出电压 (4.8V/5.3V 或 4V/4.5V) 而设计，具有自动单元平衡处理功能。本例采用了 6 个串联的 10F、2.7V 超级电容器，由三个输出电压设定为 4.8V 的 LTC3225 以 150mA (太小了是否可以扩大?) 的充电电流进行充电。前端是一个采用 LT3714 的反激式稳压器，而且 1.8V POL 由一个 LTM4601A 来调节。超级电容与普通高能可充电电池的比较特 性普通（镍镉）电池超级电容充放电工作机理化学过程纯物理过程储存寿命3（年）20（年）？容量下降到80一次充电时间4h，低速充电可30s 一次充电可供寻北次数5（新电池，低功耗GYROMT陀螺马达）1,普通陀螺马达均可内阻（内阻越高充放电效率越低）高内阻：数低内阻：m
