在本系列的前面部分中，我們回顧了太陽(yáng)能電池的性能、如何選擇和尺寸超級(jí)電容器、超級(jí)電容器充電電路的要求和充電 IC 特性。我們現(xiàn)在將使用兩個(gè)案例研究來(lái)詳細(xì)說(shuō)明這些屬性。

案例研究 1：在 100 勒克斯的低光照條件下，在室內(nèi)使用小型太陽(yáng)能電池為使用 CAP-XX GA109 的藍(lán)牙低功耗傳感器供電

在這種情況下，我們使用了在低至 100 勒克斯的室內(nèi)光線下運(yùn)行的低功耗 BLE 傳感器。傳感器只在有光的情況下工作，因此超級(jí)電容只需要支持?jǐn)?shù)據(jù)采集和傳輸即可。

我們使用 Sensor Puck BLE 傳感器每秒向手機(jī)應(yīng)用報(bào)告溫度、相對(duì)濕度和光照水平。傳感器最大-最小電源電壓范圍為 3.0V 至 2.0V，因此我們將使用最大電池電壓 = 2.5V 的單節(jié)超級(jí)電容器。顯示了傳感器采集和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的電流和電壓波形。1ms 持續(xù)時(shí)間內(nèi)的峰值電流約為 22mA，而持續(xù)突發(fā)在 12ms 內(nèi)的平均電流為 4.5mA，在脈沖結(jié)束時(shí)有一個(gè) 5mA 的小峰值。顯示此電流為 >> 峰值功率點(diǎn)處 260μA 的太陽(yáng)能電池電流。在這種情況下，我們選擇了 CAP-XX GA109 超級(jí)電容器，180mF，40mΩ。這是一種小型棱柱形超級(jí)電容器，可實(shí)現(xiàn)纖細(xì)而有吸引力的工業(yè)設(shè)計(jì)。

22mA 峰值結(jié)束時(shí)的壓降 = 22mA × 1ms/180mF + 22mA × 40mΩ = 1mV。

12ms、4.5mA 脈沖結(jié)束時(shí)的壓降，結(jié)束時(shí)有 5mA 的峰值 = 4.5mA × 120ms/180mF + 5mA × 20mΩ = 5mV。顯示了約 6mV 脈沖上的電壓降，這證實(shí)了計(jì)算。這是一個(gè)微不足道的下降，使 GA109 能夠支持 Sensor Puck 進(jìn)行多次傳輸。圖還顯示了 Sensor Puck 每秒傳輸一次，超級(jí)電容器電壓在傳輸之間略有衰減。這是因?yàn)樘?yáng)能電池的充電功率 < 傳感器每秒傳輸一次的平均功率。

為了使系統(tǒng)可持續(xù)，負(fù)載功率必須限制在太陽(yáng)能電池充電功率。我們通過(guò)在超級(jí)電容器和傳感器之間包含一個(gè)帶滯后的比較器 U1 來(lái)控制 FET M1 來(lái)做到這一點(diǎn)。當(dāng)超級(jí)電容器達(dá)到 2.4V 時(shí)，M1 開(kāi)啟，使傳感器運(yùn)行。當(dāng)超級(jí)電容器放電至 2.2V 時(shí)，M1 關(guān)閉，斷開(kāi)傳感器并使超級(jí)電容器重新充電至 2.4V。 顯示了我們的充電電路，五個(gè)太陽(yáng)能電池串并聯(lián)為 AEM10940 為超級(jí)電容器充電。

現(xiàn)在，由于我們要斷開(kāi) BLE 傳感器的電源以調(diào)節(jié)平均負(fù)載功率，因此當(dāng)傳感器打開(kāi)時(shí)，它將重新初始化。這在 2.1 秒內(nèi)平均消耗 12mA。GA109 初始化期間的壓降 = 2.1s × 10mA/180mF + 12mA x 40mΩ = 117mV。我們的 200mV 遲滯允許 GA109 支持傳感器初始化以及多個(gè)傳輸突發(fā)。

顯示了該電路在 100 勒克斯下為超級(jí)電容器充電并保持傳輸?shù)挠行浴?00 勒克斯是非?；璋档墓饩€，不足以閱讀，說(shuō)明即使在這種光線不足的情況下，太陽(yáng)能電池解決方案也是可行的。

在如此低的光照條件下，GA109 超級(jí)電容器從 0V 開(kāi)始充電需要 45 小時(shí)，然后在傳感器提供傳輸脈沖串后重新充電需要 2.6 小時(shí)。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)在安裝時(shí)對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行預(yù)充電來(lái)克服緩慢的初始充電時(shí)間。顯示了系統(tǒng)在合理的光照下如何有效地工作。650 勒克斯是光線充足的辦公室、超市或工廠車(chē)間的光照水平。在 650 勒克斯下，太陽(yáng)能電池的功率剛剛超過(guò) 0.4mW。GA109 從 0V 充電僅需 31 分鐘，在提供傳輸突發(fā)后為超級(jí)電容器重新充電僅需 2 分鐘 5 秒。傳感器開(kāi)啟時(shí)間的 2.9 秒持續(xù)時(shí)間表明 GA109 支持初始化，然后是傳輸突發(fā)。

本案例研究展示了小型太陽(yáng)能電池和高效充電 IC 如何為超級(jí)電容器充電，以支持低功耗傳感器采集和傳輸。e-peas AM10940 是一款高效 IC，即使太陽(yáng)能電池僅提供 150μW 的功率，它也可以為超級(jí)電容器充電，并且在太陽(yáng)能電池功率增加到略高于 400μW 的情況下，充電效率更高。GA109 是一款小巧纖薄的超級(jí)電容器，具有足夠的 C 和低 ESR，可以構(gòu)建不顯眼的傳感器，適用于可穿戴設(shè)備或注重外觀的室內(nèi)環(huán)境。