【文章內容簡介】 采取受控的方式，以便獲取需要的輸出電壓。在實際生活中我們通常會用電容來存儲電能或者電荷，并且電容會按一定的時間和速度發(fā)電。如圖22所示，它詳細介紹了電荷泵的工作過程，由圖我們可以知道，當電路有電流通過時，因為電容有寄生效應，所以它會限制峰值充電電流。但是這會造成一些負面影響，比如在這一過程中電荷的轉移時間會延長，緊接著造成了電荷的累積不能瞬時完成，換句話說就是電容兩端的電壓初始值為零。(a) (b) (c) (d)圖22 電荷泵工作的基本原理電荷泵的基本電路有兩種即倍壓型和反壓型，圖23(a)描述了倍壓型電路的工作原理。在倍壓型電路中電壓的變化是通過兩個階段實現(xiàn)的，在第一個階段中S1和S2處于關閉狀態(tài)，而S3和S4打開，可以看出電容處于充電狀態(tài)，充電到一定值，此值就是輸入的電壓。 () S1和S2在第二個階段中處于打開狀態(tài)，而S3和S4閉合，而此時的輸出電壓變?yōu)榱溯斎腚妷旱?倍，這是因為電容兩端的電壓不能立刻突變造成的。因此此時的輸出電壓為： ()因此由公式()可知輸出的電壓變?yōu)榱溯斎腚妷旱膬杀?，實現(xiàn)了倍壓的效果。圖23(b)是對圖23(a)的進一步說明，圖23(b)從電壓和電流的波形進行了進一步的闡明。由圖23(a)可知在倍壓電路的第一個階段中，電路會給電容C1充電，C1充電電流的初始值是由C1兩端電壓的初始值、開關電阻等決定的。當C1充完電后，流過C1的電流會減小，而在這段時間中，電容通過放電向負載提供電流。在第二個階段中，放電電流會通過電容C1流過負載，此時輸出的電容電流變化約為的二倍，會線性的充電。當C1在輸入和地之間時，會放電。 圖(a)電荷泵電路 圖(b)相關波形圖23 倍壓電荷泵電路及其工作波形圖24描述了電荷泵電壓反轉變換器的基本工作原理，由圖可以看出它是由開關、反相器、電容和振蕩器組成的。圖24 電荷泵電壓反轉變換器的基本工作原理開關S1和S2是由由振蕩器輸出的脈沖直接控制的，振蕩器輸出的脈沖經(jīng)過反相器后來控制模擬開關S3和S4。當模擬開關S1和S2處于閉合狀態(tài)，而S3和S4打開時，C1會被充電，而且C1上的電壓為V+。相反當S1和S2打開，S3和S4閉合時，電容C1將會放電，放出的電會流向C2，即C2會被充電，但是C2上的電壓是負的V1，此時的。當四個開關SSS3和S4在振蕩器的控制下以較高的頻率開斷和閉合時，輸出的電壓為負值。從圖24中可以看出電荷泵電壓反轉器電路不具有穩(wěn)壓的功能，也就是說當負載上有電流通過時，輸出的電壓也會有變化。此電路的輸出電流和輸出電壓的變化特點是輸出的電流越大，輸出的電壓也越大。通常Ro表示輸出電阻，而且Ro是用來描述輸出電壓與輸出電流關系的，Ro可以用以下公式來描述： ()其中△V表示輸出電壓的變化，從公式(3)可以知道當輸出電阻Ro越小時，表示輸出電壓變化的小而且輸出特性好。通過對電荷泵兩種電路的分析，可以看出電荷泵電路的優(yōu)點，但是電荷泵電路也具有以下缺點：（1）它的輸入與輸出的電壓比是有限的。（2）因為它的輸入電流峰值很大，所以有噪聲。（3）它的輸出電壓的不穩(wěn)定要求必須使有電壓負反饋來控制從而獲得穩(wěn)定的電壓。（4）輸出的電壓與負載有密切聯(lián)系，而且輸出的驅動能力也是有限的?！‰姾杀秒娐返膽靡饬x和價值在現(xiàn)代人類的日常生活中，人們越來越追求便捷化，因此便攜式的產(chǎn)品受到人們的親睞，這種發(fā)展趨勢對電源又有了新的要求。為了迎合這種變化，很多公司對電源管理提出了很多的改進方案，而且這些解決方案各具特色。解決方案在一些問題上進行了反復的權衡，例如在效率上、在成本上和尺寸上。但是尺寸小也帶來了問題比如尺寸小的產(chǎn)品的散熱能力比尺寸大的產(chǎn)品差，同時這些便于攜帶的產(chǎn)品一般都具有無線電電路和射頻接收器，因此對噪聲很敏感。因此研究人士發(fā)明了一種切實可行的電路即電荷泵電路，電荷泵電路具有低噪聲、低成本和高效率的優(yōu)點。因為這種電路在沒有電感時也可以實現(xiàn)一定的升壓，所以克服了由電感帶來的電磁干擾問題，而且這種設計比較的簡單，成本也低。但是電荷泵電路卻在一些場合受到了制約，例如在多檔升壓電路使用電荷泵時會使效率大大降低了，同時因為損耗產(chǎn)生的發(fā)熱量也加大了。電荷泵電路雖然有以上不足之處，但是在很多場合它依然是人們應用的首選。并且當前世界很多國家進一步展開了對電荷泵電路的研究，力求減小電荷泵的噪聲、降低功率損耗、增加輸出功率。 Boost變換器的基本理論Boost變換器也叫作升壓變換器，升壓變化器的作用是將輸出的電壓升高，即輸出的電壓數(shù)值總比輸入的電壓數(shù)值大。由圖25Boost變換器的電路結構可以知道此電路是由電容、電感、電阻、二極管器件和電力電子開關組成的。圖25 Boost變換器Boost變換器的工作原理如圖26所示，當VT處于接通狀態(tài)時，流過電感中的電流會慢慢增大，因此此時的電感會儲存能量，同時流過電阻R中的電流是由電容C供給的。在圖26(a)中在導通時間結束以后，VT會處于斷開狀態(tài)，而此時的電感會釋放能量，并且它會與輸入的電壓共同作用來使VD導通，同時電阻R中有電流流過，進而對電容充電。而在圖26(b)中當VT的關斷時間結束后，VT就會處于導通狀態(tài)，進而重復以上過程。 (a) VT導通 (b)VT關斷圖26 Boost變換器的工作過程下面對Boost變換電路在電感電流連續(xù)工作方式下進行介紹，在一個周期內將電路分為開關導通和關斷兩種狀態(tài)，即t0～t1時為開關導通狀態(tài)，t1～t2時為開關斷開狀態(tài)。在t0～t1時間段內，如圖26(a)所示，t=t0時，VT導通，一直到t1這個過程中VT一直是導通狀態(tài)，但是二極管VD卻因為反向電壓而被截止，此時的電容為電阻R提供電能。在這個階段中因為輸入電壓加在了L上，所以電感電流會線性增加。當t=t1時，從最小值增加到最大值，的增加量可以表示為： ()在t1～t2時段內，如圖26(b)所示，在t=t1時，VT關斷，VD導通，在這一過程中L釋放上一階段所儲存的能量。流過電感的電流減小，同時經(jīng)過VD流向輸出端。與此同時電源也向負載供電，電容C被充電。當t=t2時，此時的從最大值減小到最小值，的減小量表示為： () 在t2時，VT又一次導通，電路進行下一個開關周期。在圖27中表示電路中輸入的電流，表示電流的平均值，表示為==，由圖可以看出VT和VD是輪流工作的。當VT工作時電流流過VT；當VD工作時，電流流過VD。所以的波形是由VT和VD的波形所合成的。因為在一個周期中電容存在兩個過程，即充電和放電過程，所以電容C的電流平均值為0。輸出電流的平均值也是流過VD的電流平均值。通過分析得出，Boost變換電路的輸入電壓與輸出電壓的關系可以表示為： ()，而且當δ無限趨于1時，會趨于無窮大。這種情況下會將電路損壞，所以我們必須避免這種情況的發(fā)生。電路中與的關系表示為： ()用表示輸出電壓的脈動，可以表示為： ()，可以采取增大電容C和增加f的方法來減小輸出電壓的紋波。 圖27 Boost變換器電流連續(xù)下的波形Boost變換電路在電流臨界連續(xù)時的波形如下圖28所示，從圖中可以知道此時流過二極管VD的電流平均值可表示為： ()所以我們可以得知當電感電流連續(xù)時必須滿足，此式也是電感電流連臨界條件。由并且聯(lián)系()式可以進一步的得出下式: ()整理式子()得： ()所以可以用公式()來判斷電感電流是否連續(xù)的臨界條件。 圖28 Boost電路電流臨界連續(xù)時的波形3 超級儲能系統(tǒng)的設計電路仿真 前饋控制的Boost變換器仿真電路大型能量捕獲技術例如風能、太陽能是眾所周知的，而小規(guī)模能量收集技術例如振動能、電磁能等也被提出并發(fā)展。一般來說，小型能源收獲產(chǎn)品商業(yè)化的問題是它的成本、便于使用和污染。此論文在一定程度上可以解決此問題。大部分的能量采集器所產(chǎn)生的能量是不穩(wěn)定的，也就是所產(chǎn)生能量的幅值和持續(xù)的時間很大程度上受環(huán)境條件的影響。因此超級儲能電容器因為無污染易于充放電在采集器中被用作儲能單元。根據(jù)能量的儲存形式，能量儲存系統(tǒng)可以分為電磁存儲、機械存儲、化學存儲、生物存儲和熱能存儲。在電磁儲存系統(tǒng)中因為它具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電效率高，無污染的特點，因此超級電容器是個新興和有前途的能量儲存器件。超級電容器還廣泛應用在很多場合，例如在數(shù)碼相機、電話等消費電子產(chǎn)品中與電池結合使用。尤其是最近環(huán)境問題日益嚴重，超級電容器