使用带有小型太阳能电池的超级电容器进行电源管理和能量存储，第 4 部分

在本系列的前面部分中，我们回顾了太阳能电池的性能、如何选择和尺寸超级电容器、超级电容器充电电路的要求和充电 IC 特性。我们现在将使用两个案例研究来详细说明这些属性。

案例研究 1：在 100 勒克斯的低光照条件下，在室内使用小型太阳能电池为使用 CAP-XX GA109 的蓝牙低功耗传感器供电

在这种情况下，我们使用了在低至 100 勒克斯的室内光线下运行的低功耗 BLE 传感器。传感器只在有光的情况下工作，因此超级电容只需要支持数据采集和传输即可。

我们使用 Sensor Puck BLE 传感器每秒向手机应用报告温度、相对湿度和光照水平。传感器最大-最小电源电压范围为 3.0V 至 2.0V，因此我们将使用最大电池电压 = 2.5V 的单节超级电容器。显示了传感器采集和传输数据时的电流和电压波形。1ms 持续时间内的峰值电流约为 22mA，而持续突发在 12ms 内的平均电流为 4.5mA，在脉冲结束时有一个 5mA 的小峰值。显示此电流为 >> 峰值功率点处 260µA 的太阳能电池电流。在这种情况下，我们选择了 CAP-XX GA109 超级电容器，180mF，40mΩ。这是一种小型棱柱形超级电容器，可实现纤细而有吸引力的工业设计。

22mA 峰值结束时的压降 = 22mA × 1ms/180mF + 22mA × 40mΩ = 1mV。

12ms、4.5mA 脉冲结束时的压降，结束时有 5mA 的峰值 = 4.5mA × 120ms/180mF + 5mA × 20mΩ = 5mV。显示了约 6mV 脉冲上的电压降，这证实了计算。这是一个微不足道的下降，使 GA109 能够支持 Sensor Puck 进行多次传输。图还显示了 Sensor Puck 每秒传输一次，超级电容器电压在传输之间略有衰减。这是因为太阳能电池的充电功率 < 传感器每秒传输一次的平均功率。

为了使系统可持续，负载功率必须限制在太阳能电池充电功率。我们通过在超级电容器和传感器之间包含一个带滞后的比较器 U1 来控制 FET M1 来做到这一点。当超级电容器达到 2.4V 时，M1 开启，使传感器运行。当超级电容器放电至 2.2V 时，M1 关闭，断开传感器并使超级电容器重新充电至 2.4V。 显示了我们的充电电路，五个太阳能电池串并联为 AEM10940 为超级电容器充电。

现在，由于我们要断开 BLE 传感器的电源以调节平均负载功率，因此当传感器打开时，它将重新初始化。这在 2.1 秒内平均消耗 12mA。GA109 初始化期间的压降 = 2.1s × 10mA/180mF + 12mA x 40mΩ = 117mV。我们的 200mV 迟滞允许 GA109 支持传感器初始化以及多个传输突发。

显示了该电路在 100 勒克斯下为超级电容器充电并保持传输的有效性。100 勒克斯是非常昏暗的光线，不足以阅读，说明即使在这种光线不足的情况下，太阳能电池解决方案也是可行的。

在如此低的光照条件下，GA109 超级电容器从 0V 开始充电需要 45 小时，然后在传感器提供传输脉冲串后重新充电需要 2.6 小时。设计人员可以通过在安装时对超级电容器进行预充电来克服缓慢的初始充电时间。显示了系统在合理的光照下如何有效地工作。650 勒克斯是光线充足的办公室、超市或工厂车间的光照水平。在 650 勒克斯下，太阳能电池的功率刚刚超过 0.4mW。GA109 从 0V 充电仅需 31 分钟，在提供传输突发后为超级电容器重新充电仅需 2 分钟 5 秒。传感器开启时间的 2.9 秒持续时间表明 GA109 支持初始化，然后是传输突发。

本案例研究展示了小型太阳能电池和高效充电 IC 如何为超级电容器充电，以支持低功耗传感器采集和传输。e-peas AM10940 是一款高效 IC，即使太阳能电池仅提供 150µW 的功率，它也可以为超级电容器充电，并且在太阳能电池功率增加到略高于 400µW 的情况下，充电效率更高。GA109 是一款小巧纤薄的超级电容器，具有足够的 C 和低 ESR，可以构建不显眼的传感器，适用于可穿戴设备或注重外观的室内环境。