超级电容均衡均压板

项目碎碎念：
作为一名退役Rcer，大一大二两年的Rc生涯，第一年全国一等奖（全国第11名），第二年全国一等奖（全国第五名），整体机器人设计在差速舵轮底盘的机械架构下，转向轮为RM3508搭配电调的减速箱的齿轮齿条，并不是直驱轮，动力轮为本杰明驱动XC5500电机的包胶轮，不管是三轮舵轮底盘还是四轮舵轮底盘，大电流机器人底盘启停和刹车的情况下，搭配动力源

为大疆TB47 5500Mah 5c放电倍率的情况下，上限电流根据工程实践加电流钳在母线端的电流监测下，总是在上限值20A的上下范围内浮动，同时本杰明的无刷FOC驱动器的Direct Mos所能满足的功率甚至可以达到上千W，对比一下，属于是杀鸡用牛刀，在上限值的约束下没法满足动力要求，如若另外一个选择为不同放电倍率C下的航模电池代替TB47，们采用过6S 35C的航模电池为三轮舵轮底盘组进行供电，在调试的过程中，带来的效果确实比TB47好，但航模电池的劣势是能量密度低，相同重量的情况下输出功率并非理想峰峰值，同时那么在规则极为约束的情况下，大放电倍率的航模电池体积总是没法缩小，那么为了应对这种情况，策略转变为超级电容的使用，”超级电容“这一词的提出大多数人会想到Robomaster，没错，我们的核心理念也是来源于Rm，但RM受限于规则和功率的控制，动力源需要依靠超电进行功率限制，否则经常在RM面板上总是会看见UI界面上显示“超功率限制‘所带来的血量丢失。那么针对于Robocon同属于机器人竞赛，但规则并没有对功率进行限制，众所周知东大的电驱组自研的无刷电机驱动板上限功率几kw，（而我们用的本杰明却总是炸板，连Direct Mos的余热都没发挥极致。。。）那么首先对超级电容进行一下基础介绍：以下均为备赛过程中对于超级电容基本认识的笔记。

超级电容认识：（仔细研读一下个人笔记能给你带来对超级电容的深刻认识）

• ————————————————————————超级电容的基本介绍——————————————————————————————
• 简介Brief: 拥有高能量密度的电化学电容器
• ①超级电容：通过极化电解质来储能的 一种电化学元件
• 超电是一种介于传统电容器和电池之间，具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。
• 且其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，故超级电容可以反复充放电数十万次。
• 优点Advantage：
• ①很小的体积可以 做到 F法拉级的电容量。
• ②无须特别的充电电路和控制放电电路。
• ③电池过充，过放都不会对 寿命 产生 负面影响
• 缺点Disadvantage:
• ①使用不当：电解质泄露现象
• ②和铝电解电容相比，它等效ESR过大，因而不可以用于交流电路
• 应用环境限制：
• 与锂电池相比，超级电容目前的瓶颈：①能量密度 ②耐压性能 ③ESR ④尺寸 ⑤成本
• 经典应用场景：
• ①经常掉电的场合，可以进行快速充放电和反复循环数十万次，而电池几百个循环就寄了。
• ②要求瞬时功率输出较大的场合，比如汽车马达启动的瞬间，采用ESR较低的超级电容，可以帮助马达的快速启动。
• ③脉冲功率性能优越，能够适合于极短时间内重复电能脉冲的产品。相反电池反复高功率脉冲寿命大打折扣
• ④超电不同于电池，超电可能优于电池，有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合。
• ⑤超电在额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放电。电池就会因为过放造成永久循坏。
• ⑥超电的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。
• 超级电容的选型：
• ①确定 功率要求，放电时间，系统电压变化起决定性作用。
• ②超电的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量； 另一部分是由于超级电容器内阻引起，两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲能量中，内阻是占绝大部分的，相反在长时间的放电中，容性部分是占主要的。
• ③ 最高工作电压+工作截止电压
• —————————————————————————超级电容和平衡电路——————————————————————————————————
• ①超级电容因为广泛用于短期大能量存储，再生制动，静止的随机掉电存储器备份之中。
• 突出特点：
• ①充电速度快，10s-10分钟可以达到额定容量的95%以上；
• ②循环使用寿命长，深度充放电循环可达1-50万次，没有记忆效应；
• ③大电流放电能力极强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率＞=90%；
• ④功率密度高，达300W/KG-5000W/KG，相当于电池的5~10倍
• （能量密度：单位重量的电池所能存储的能量，单位Wh/kg） （功率密度:单位重量的电池在放电的时候以何种速率进行能量输出）
• 功率密度主要描述的是电池的倍率，也就是电池的放电倍率问题，也就是电池可以以多大的电流放电，比如功率密度高，电动车加速的时候非常快，普通的铅酸电池功率密度W/KG非常低，表明就算以高倍率放电的性能也是非常差的，而锂离子电池功率密度可以达到数千瓦特/kg。）
• （2）为什么超级电容需要平衡电容
• 在设计中，超级电容器的运行电压常常达到2.5V-2.7V的时候，多数应用会使用一系列的串联的装置来获得更高的电压，而要平衡一个超级电容器需要平衡电路，因为超级电容器会产生漏电流，这种电流会根据多种因素变化而出现，包括：
• （1）初始泄露值
• （2）泄露值随充电电压，充电电流和温度的变化而变化
• （3）运行温度的范围
• （4）化学，材料和结构
• （5）老化
• 为了防止这种失衡，必须采用一个平衡电路，这种平衡电路通过自动修正漏电流不断变化所产生的效应，让经过每个超电的电压都能处于限定范围内，而所有这些经过的电容就可以需要最少的额外漏电电流或者功耗。 一个好的均衡电路可以对异常的单体迅速做出响应，超级电容单体平衡方法有两种：被动均衡式 和 主动均衡式。
• a.被动均衡电路
• （1）电阻直接与超级电容并联的结构，实际上就是在每一个单体上并联一个电阻来抑制泄露的电量，实际就是用公差很小的电阻强制单个模块的电压保持一致。
• 因为超电在充电的过程中，内阻决定充电电流的大小以及最终的电压，超电充电之后，自放电内阻是另外一个一个重要参数，用一个小的电阻就可以实现超级电容单体之间的电压平衡。电阻阻值应该比超级电容的内阻大很多，但要比自放电电阻小，不同的电阻值，电压的平衡过程时间不同。
• （2）开关控制的电阻并联的结构
• 在上一种结构的电阻上串联一个开关，当单体电压超过预先设定的电压值的时候，开关接通，进行平衡功能； 当单体电压低于预先设定的电压值的时候，开关闭合。 这种结构需要测量单体电压，会增加成本。
• （3）采用DC/DC变换器的结构
• 在相邻的单体之间接入DC/DC变换器，平衡具体电压。 除变换器的损失外，没有其他的损失。效率高于上述两种平衡方式。但由于硬件实现和控制成本高的原因，很少用。
• ————————————————————————————————————————————————————————————————————————
• b.主动均衡电路
• 如何所示：主动均衡需要的时间比被动均衡需要的时间短，电压分配精度相等。而且寄生损失小。如果达到极限电压，电路通过一个并联在超级电容的小功率电阻的旁路作用进行均衡。这个电阻的作用与被动均衡式的相同，但是由于均衡电流大，均衡的过程很短，在低于极限电压的时候，电阻不起作用，充电电流很大。 在旁路部分起作用的时候，电流可以较高，但是这要受到并联电阻的限制（一般上限电流达1A）。因此这个电路很少在汽车上使用，因为车辆制动的时候，制动回馈产生的充电电流大于1A，这会损坏整个电路。
• c.芯片应用实例：
• 特性曲线：
• ——————————————————————————RM超级电容圆桌论坛————————————————————————————
• ①奇怪，这里说EDLC内部的ESR是非常小的，也就是说内部电阻（ESR）极低。导致允许快速放电，有发生电火花的危险。
• ②循环周内 电压 变化幅度大 ，放电不平衡，需要搭配DC-DC电路
• ———————————超级电容计算公式——————————————————————————————————————————————————————
• ①电容串联，容量C减少（串联后总容量的计算，参照电阻的并联方法），耐压电压V增大。
• ②电容并联，容量C增加（各容量增加,并联参照电阻的串联方法）耐压V以最小的计算。
• ③总结串联个数越多，耐压越大，但电容量减少，所以还需要进行并联来提高容量。
• ④假设单个超级电容2.7V 470F 容量的计算公式：
• ⑤电容的放出能量公式：
• ⑥电容的储能公式：
• ————————————————————————————————————————————————————————————————————
• —————————————————————————超级电容常用IC数据手册解析————————————————————————————
• ①简介：超级电容均压芯片BW6101芯片：BW6101是超电保护芯片专门针对超电串联模组的电容单体过压保护设计的IC,内部采用高精度内阻电压基准，确保保护电压精度在1%以内，内置功率管可以提供大电流泄放能力，就算没有外部扩流管的前提下，也可以提供200mA的电流泄放能力，如果需要大电流泄放保护，可以采用外部扩流MOS管，最大泄流能力可达几十A。
• ②特性：可以实现对2.5V和2.7V的电容进行保护
• ③概述： 内置的功率管可以使得过充保护后的泄流能力达到0.7A，同时可以通过外部端口选择为两种规格的超级电容进行充电保护。当选择端口为高电平的时候，对应保护点为2.65V（对应标称2.7V的电容）,当选择端口电平为低的时候，对应保护垫为2.45V（对应标称2.5V的电容）.
• ④典型应用电路：如果不采用外部扩流管，IOUT就可以直接接一个小电阻泄流到GND了。
• ⑤引脚配置：IOUT：泄流端口 SEL:内部电压保护选择端口，对应两款不同标称的电容。
• ⑥Max值：内部扩流管Iout最大1A
• ___________________________________________________分割线______________________________________________
• ①TI德州科技的 BQ24640高度集成的超电开关模式充电控制IC。 可以为1-8节超电提供 恒定电流和恒定电压的充电模式 （有点类似超电所需要的恒流源） 而且具有充电状态 监控，温度检测和输入使能功能。
• ②采用恒定频率同步PWM控制器的超电充电控制器，可以通过ISET引脚上的电流为超电充电。
• ③特点：输入电压范围，充电电压范围，充电电流可以编程，具有输入欠压锁定，输出过压保护 和短路保护等功能。 通过CE引脚来使能或者禁止充电，以及STAT和PG引脚报告充电和适配器的状态。 还有TS引脚负责检测超电的温度，过热过冷暂停充电
• ④典型应用：

Robocon应用场景与超级电容关联：（Newbing真实应用）

• ①TI德州科技的 BQ24640高度集成的超电开关模式充电控制IC。 可以为1-8节超电提供 恒定电流和恒定电压的充电模式 （有点类似超电所需要的恒流源） 而且具有充电状态 监控，温度检测和输入使能功能。
• ②采用恒定频率同步PWM控制器的超电充电控制器，可以通过ISET引脚上的电流为超电充电。
• ③特点：输入电压范围，充电电压范围，充电电流可以编程，具有输入欠压锁定，输出过压保护 和短路保护等功能。 通过CE引脚来使能或者禁止充电，以及STAT和PG引脚报告充电和适配器的状态。 还有TS引脚负责检测超电的温度，过热过冷暂停充电
• ④典型应用：
• ⑤引脚定义：（1）VIN：输入电压引脚，链接电源适配器的+极 （2）GND：地线，可以连接适配器和超级电容器的－极 （3）BAT：输出电压引脚，连接到超级电容的+极 （4）ISET:充电电流设置引脚，通过一个电阻接地来设定充电电流 （5）VFB:充电终止电压反馈引脚，通过一个分压电阻网络接地来设定充电终止电压 （6）TS:温度感应引脚，通过一个热敏电阻接地来检测超电的温度，过热过冷暂停充电 （7）CE：充放电控制使能引脚，高有效或者低有效，用于启用或者禁止充放电控制功能 （8）STAT:状态指示输出引脚，开漏输出（需要外界上拉）可以显示充放控制状态 （9）PG：功率良好指示输出引脚，开漏输出，用于显示输入功率是否正常 （10）BOOT：驱动MOS栅极的自举供应输入/输出引脚，需要外接1个100nf以上的陶瓷电容到PHASE引脚 （11）PHASE:同步整流MOS源极S和和驱动MOS漏极D之间的连接点输入/输出引脚 （12）SRP,SRN :同步整流MOS栅极G驱动输出/反馈输入差分对引脚 （13）DRVH,DRVL: 驱动MOS栅极驱动差分对输出/反馈输入差分对引脚
• 问题：比如如何用它实现对6.67F 24.3V总共9串的超级电容模组进行充电呢？
• 问题：为什么我不能用学生电源直接给超级电容充电，而是要通过BQ24640芯片呢？----------->因为这款芯片可以对超电进行恒压恒流充电。
• 问题：为什么要对超级电容进行均衡设计？
• 问题：可是BQ24640不是可以给超级电容进行恒压恒流充电吗？那为什么还需要进行均衡设计呢，均衡设计不也是为了分配电压吗
• 问题：那为什么还需要主控对其进行控制呢，比如主控采集超电的电压电流信息
• 问题：假如我有一个运动机器人系统，我希望将这个运动机器人系统用24V电源和超级电容两个能源进行供电，我希望用BQ24640对超级电容进行充电管理，也希望用对超级电容进行均衡设计，最后还希望有主控来采集超电的电压电流等信息判断超级电容的充放电状态，并且我希望在运动机器人系统启动的时候因为需要大电流所以用24V电源和超级电容一起供电，而当平缓状态运行的时候就单独用24V电源供电，最后制动的时候我希望单独用超级电容来供电，您能给我讲一下如何设计和流程吗
• 问题：我的比赛时间是3分钟，我希望三分钟全程都可以用24V电源和超级电容一起供电来完成这三分钟的比赛路程，但是我不知道超级电容所存储的能量够不够我放电3分钟，比如什么才是合适的参数，或者你有什么更好的建议吗。
• 问题：超级电容的选型问题
• 问题： 超级电容的总容量计算公式：超级电容的总容量=单体电容容量/串联个数。
• 问题：我现在希望用一个24V电源最大输出功率270W和超级电容并联一起给负载差不多15A的电路供电达3分钟，我想请问一下超级电容应该满足什么参数，也就是至少要多少个串多少个并，才能满足超级电容供电达3分钟。
• 问题：我现在想要制作一个超级电容模组来和我的24V电源一起给系统进行供电，您可以告诉我如何设计方案吗，我希望你能把超级电容的均衡设计和充电管理设计一起说出来
• 问题：选用2.7V，60F的超级电容单体，组成9串的超级电容模组，如何和24V 270W电源一起为我们的系统进行供电设计呢
• 问题：能不能具体讲讲包括芯片选型，包括你说的2.7V 60F 的9串2并模组，能储多少能量，总容量多少这些吗
• 问题：我现在选用单体2.7V 100F HP-2R7-J107UY型号的超级电容，请问几串几并可以满足和24V 270W电源一起给系统供电的效果
• 问题：假设系统运行的时候需要保持一个恒定的270W，并且假设最低工作电压为12V
• 问题：我现在选用单体2.7V 100F HP-2R7-J107UY型号的超级电容，我还有一个电池是大疆电池TB47一起为运动机器人供电，已知TB47放电速率是5C，而我的运动机器人整体负载应该有20-30A持续3分钟，请问我需要几串几并才能满足基本需求、

高校超级电容技术文档解析：

• ——————————————------------------———哈工程大学超级电容技术文档解剖—————————————————————————
• 注意事项：
• 1：均衡版 （单体均衡） 2：保护板（过压保护） 3：控制板（电压，电流，功率检测，反馈参数，也叫管理板）
• ①防止继电器触点蝉联 可以将超级电容管理板得 继电器 更换为 PMOS
• ②板子正面做绝缘！！
• ③理想二极管为电容为裁判系统供电与电容供电自锁，不可删除,SK1045肖特基二极管是为了防止理想二极管失效，测试得得时候一拖锡连起来。
• ④选用2.7V 60F 的超级电容单体。 组成9串的 超级电容模组。
• ⑤均压部分采用了超电常用的BW6101提高电路稳定性。NMOS选择了：A04402. 其优点：内阻小，电流大，成本低。泄放电阻采用2R，2512，3W的贴片功率电阻。（泄放电阻一定要R足够小过大电流同时功率很大就要功率大封装就很大了）
• ④原理解剖：BW6101典型保护电压值2.65V（这个是过充电压典型值保护点），当电容两端的电压＞2.65V的时候，芯片内部泄放开关的内部扩流管开启，同时我们接了一个外部NMOS扩流管，直接通过2R的泄放电阻进行对下一级电容进行放电，保证电容两端不会过压。而一旦电容两端的电压＞2.75V的时候，过压指示灯会点亮，用来检测模组的工作状态。
• ⑤方案验证：最低2.66V最高2.73V是正常情况。
• ⑥模组储能计算：代入上面的C容量和U计算理论储存能量。（J和kwh怎么换算来着）
• ⑦超级电容拓扑整体：
• （1）超级电容管理控制板概览：
• （2）介绍：主控：采用STM32F405RGT6 ，充电管理：采用TI德州科技的BQ24640。 这款芯片是高度集成的开关模式超电充电控制器，可以提供恒定频率同步PWM控制器，具有高精度充电电流，电压调节和充电状态监控。 分两个阶段为超电充电：恒定电流和恒定电压（CC/CV）. 使用MCU的DAC进行数模转换功能来进行充电控制。 采用I2C的INA226进行高端采样的电压检测。
• 控制部分： 主要负责功率控制，电容的充放电 功率部分：电路的主要拓扑，主要是避免RM规则的功率限制 充电部分：主要为超电的充电电路。
• 控制部分原理图：
• 功率部分原理图：
• 充电部分原理图：
• 功率部分介绍：①继电器选型 + ②采样电阻选型。 继电器是作为链接底盘和超级电容的导线的一部分，应该具备强大的载流能力以让机器人急速启动提供较大的电流。
• 采样电阻作为连伟底盘与超级电容的导线的另一部分，也应该具备强大的载流能力为机器人急速启动提供较大的电流。还应该具备较好的热稳定性。为INA226提供更准确的采样数据。
• 综合考量：的理想二极管原理图如下
• 方案验证：实际使用中，电容的 充电效率 在94%以上，放电效率 仅受 超级电容内阻，电阻阻值，继电器触点阻抗，PCB铜皮阻抗影响，可以将超电电容电压限制在14.5V以上，即有效能量：1250J
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• ———————---------------------------------———— 中南大学FTY超级电容技术文档解剖———————————— ———————————————————
• ①RM19赛季方案：
• 使用BQ24640作为充电芯片，INA226为电流，电压，功率检测芯片。
• ②RM20赛季方案：
• ③BQ24640讲解：BQ24640也是一款高度集成的开关模式超级电容充电控制器，提供了一个恒频同步PWM控制器，具有高精度的充电电流，电压调节和充电状态检测的功能，其采用两阶段的充电方式：恒流CC后恒压CV，支持1节-6节电池，输入电压范围为5V-28V，最大充电电流为10A
• ④引脚定义和说明：
• ⑤请给我推荐一下BQ24640相关超级电容
• ⑥请问一下BW6101和BQ24640有什么区别吗
• ⑦可是我听说BW6101是用来均衡单体电容之间的电压的呀，并不是用来进行充电保护的，比如我9串 2.7V 50F的超级电容串联后组成均衡版后我依然可以用24V电源为其充电啊，有什么区别吗
• ⑧那BQ24640是主动均衡的方案吗？你可以给我推荐一些对9串 100F 2.7V超级电容进行充电保护以及主动均衡的相关方案吗？
• ⑨我还是不理解充放电控制器和均衡的区别与联系，你不是说BW6101是被动均衡方案吗，BW6101你不是说和BQ24640都是用于超电的充电芯片吗，那为什么BW6101可以作被动均衡，但是BQ24640不可以呢？而且什么叫做充放电控制器？具体怎么用什么意思
• ⑩你可以给我相关BQ24640用来对9串2.7V 100F超级电容作充放电管理的相关原理图吗？同时我想请问一下被动均衡是不是假如我用24V电源给其充电他会自动均衡单体之间的电压，那么整体之间的电压就会保持最佳状态？还是说只能保证每个单体电容之间能够达到最佳状态，不过单体之间都能达到最佳状态那么整体电容组也可以达到最大状态了吧？ 一旦保持最大状态不就代表了充放电电流是合适的吗？为什么还需要用充放电控制器来控制呢？
• 11）你的意思是对一个超级电容组，最好对其进行均衡和充放电保护两种方案的设计？那么你可以给我提供一下主动均衡方案和充放电管理的方案一起为超级电容提供保护呢？或者更加详细地介绍一下BQ24640的功能特点。
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• ———————---------------------------------———— 深圳大学超级电容技术文档解剖———————————— ———————————————————
• ①基于STM32F334的超电控制器
• ②

BQ24640充电管理芯片介绍：

• Feature:
• 同步开关模式的超电充电器
• 充电电流最大10A，最高90%的 效率，高精度充电电流，电压调节和充电Stat状态监控功能的恒频同步PWM控制器
• 5V-28V的VCC输入电压范围
• 自带内部回路补偿，数字软启动
• 输入过压保护，电容器感温冷热充电暂停和热关断
• 30ns的驱动器死区时间和最高99.5%的占空比
• 自动休眠模式+低功耗
• 充电阶段：CC->CV，超电从0V与充电电流设置可以从ISET引脚设置，同时当超电的电压达到目标编程电压的时候，充电电流I开始减小
• 具有启用和禁用充电的输入CE引脚，并且STAT和PG输出引脚报告充电和适配器状态。Ts引脚监视电容的温度。
• Pin:
• BTST: PWM高侧驱动器正电源，常用0.1uF自居电容从PH连接到BTST
• CE: 充电使能引脚，有源高电平逻辑输入。HI为使能充电,LO失能充电，常用10KR上拉到导轨CE，内部自带1MR下拉电阻
• GND:低电流敏感的模拟/数字地，PCB布局，链接IC下面的热GND垫
• HIDRV:PWM高侧驱动器输出，通过较短的线连接到高侧N沟道MOS管的栅极
• ISET: 充电电流设定点，电压通过电阻分压器从VREF设置到ISET到GND
• LODRV: PWM低侧驱动器输出。用短线连接到低端N沟道MOS管的栅极
• PG: 开漏有源低电平适配器状态输出，通过LED和10K
• PH: 开关节点，充电电流输出电感器的链接，通过0.1uF引导电容从 PH连接到 BTST
• REGN:PWM低侧驱动器正6V电源输出，将一个1uF的陶瓷电容从REGN连接到GND引脚同时靠近IC，用于低侧驱动器和高侧驱动器引导电压通过小信号肖特基二极管从REGN连接到BTST。
• SRN:充电电流感应电阻器，负极输入。1个0.1uF的陶瓷电容器放置在SRN到SRP提供差分模式走线滤波，可以通过一个可选的0.1uF的陶瓷电容从SRN到GND，用于共模滤波
• SRP:充电电流感应电阻器，正极输入。1个0.1uF的陶瓷电容器放置从SRN到SRP提供差分滤波，同时SRP到GND放置1个0.1uF的陶瓷电容，用于共模滤波
• STAT:开漏充电状态输出，指示充电器的操作，通过STAT上拉电阻与LED
• TS:负温度系数的热敏电阻引脚温度确认电压输入，通过同组分频器编程和低温窗口从VREF到TS到GND，推荐SEMITEC 103AT- 10-kΩ的电阻器
• Voltage Pin:
• VCC：IC电源正电源，最好能通过一个10R的电阻连接到输入二极管的阴极。将1uF的陶瓷电容放置到VCC到GND，靠近IC，滤除噪声。
• VFB：充电电压模拟反馈调整引脚，通过电阻分压器从输出连接到VFB到GND，以调整输出电压，内部反馈调节限制为2.1V
• VREF:3.3V参考电压输出引脚。放置一个1uF的陶瓷电容靠近引脚，该引脚电压可以通过编程ISET的电荷电流调节和TS的热阈值，可以用作STAT和PG的上拉轨道。
• Typial Application:
• Adapter:电源适配器
• 实验条件：
• ①Vin大疆电池：24V
• ②Vout 9串超级电容：23.85V
• ③设置充电电流Icharge: 10A
• 实验原理：
• 首先是PWM Control Logic产生的双路PWM波一路经过反相器后形成互补的PWM波给上下两组的推挽进行输入，形成高低端互补PWM波。PH是高端悬浮地，GND是低端真实地，假设LODRV低侧先导通Q2，那么高端MOS的PH节点为0V，同时BTST内部LDO降为6V后把BTST到PH之间的自举电容钳位到6V，此时因为PH悬浮地为0V，HIDRV高侧PWM假设为电源输入24V，那么Vgs导通，然后PH拉高到VCC也就是24V，又因为自举电容被充电到压差为6V，电容电压无法突变，下管关断的时候，它还是会保持6V，那么BTST就会升高到30V，而此时REGN还是6V就会倒灌，所以加了一个肖特基二极管在REGN和BTST的两端。这个自举电容通常一个Pin接在高端悬浮地，另外一脚接在防倒灌肖特基的负极和电源输出负极，肖特基的+极就接电源输出正极。因为上下管NMOS同一个时间只能有1个导通，如果下管从导通到关断，那么悬浮地就会从0V变成VCC，此时PH也就是Vs=VCC，自举电容也是Vcc，此时高端驱动HIDRV也是VCC那么就无法形成Vgs导通条件了，那么因为PH为VIN，然后BST为REGN经过肖特基过来的6V电压，电容电压不突变使得自举电容钳位到6V，那么Vg就会变成Vin+6V,Vs还是Vin，就可以导通上管了。正常到10uH过后那个点就会形成BUCK输出电压了。然后10mR相当于高测电流采样，10mR的一个脚进入SRP相当于IN+，另外一个脚进入IN-也就是SRN，通过内部IC得到感测电阻两端的压降然后I=V/R得到流向负载VOUT的电流I。
• 这个自举电容的解释非常好：

各大超级电容Up主的超级电容模型解析：

• 背景：①STM32F334数控电源 双向BUCK-BOOST
• 总体系统框架方案：
• 实物展示：
• 超级电容模块：与传统的被动均衡方案不同，这个采用了开关电容的主控均衡均压电路，然后这个第四部分是对这个主动均压电路进行控制，实际上就是输出一个PWM以及控制它的使能。
• 总体原理图：9个栅极驱动芯片DR04D这个目前已经停产了，可以采用别的栅极驱动芯片进行替代，然后九个超级电容串联组成的超级电容组，每个超级电容组配备了均压电路模块，实际上由4个MOS管和其对应的均压电容组成的
• 组成的电路：
• 大致原理：开关电容主动均衡均压电路的原理：右边的这个拓扑结构图，首先是右侧的开关全部闭合，闭合之后的话，每个电容被充电到各单体对应的超电对应电压相等。然后左侧的开关闭合，右侧的开关就断开，然后左侧开关闭合的时候，相当于所有电容并联起来实现了均压。最终实现的效果是：这些电容全部并联在一起的效果。
• 然后对开关电容主动均衡电路进行Simulink的仿真：
• 探究影响均压速率的因素：发现开关频率对均压速率的影响更加的显著，所以这里使用了100K的开关频率的MOS管，为什么不用更高的频率？因为更高的开关频率之下驱动起来我们的MOS更加的困难而且损耗是比较大的
• 功率控制模块实物图：分为13个部分组成，主要的部分：①双向BUCK-BOOST的主回路用的WE生产的点成线的铜线电感。
• 整个功率控制模块的结构：
• 功率控制模块的原理图：首先我们的VBAT经过TVS进行瞬态抑制

• 流程图：可以通过CAN总线来设置总功率，2号总线是用超级电容来缓冲，3号总线直接就可以接底盘进行供电
• BUCK电路：①非同步整流：开关管,D1,L,C组成，因为输出电流变化情况下，二极管压降恒定，那么正向导通就会有导通压降，那么电流✖压降就是损耗再上面的功耗。效率比较低，但是便宜，只需要控制一个开关管因为结构更加简单
• ②同步整流：将二极管换成开关管，因为MOS较低的导通电阻，以及较低的电压降，那么其损耗再上面的功耗比较小，但是Q1和Q2组成了半桥的拓扑，要考虑死区时间的控制，因为两个管是互补的，也就是说一个开一个关，不能同时导通-->短路
• 超级电容的介绍：根据10个50F的超电串联，额定电压2.7V，10个串联，耐压提高到27V,那么10个50F组成就是等效5F的电容，额定容量Q=0.5✖CV那么就计算出对应的能量。 同时因为超级电容的单体之间特性不同就需要均衡电路，这里采用了被动均衡方案，被动均衡：超过单体电容的保护电压的时候，那么就会把多余的电压以电流的形式释放出来。
• 实际应用例子：假设应用5F超级电容作为电源，初始工作电压的意思：给超级电容充满的工作电压，截止工作电压：超级电容组低于这个截止工作电压，那么和超级电容组并联的这个设备就不工作了，比如C620电调最低电压15V左右，有些设备最低工作电压也有12V左右的。那么计算持续工作时间3分钟，实际上会短，因为这个取决于效率问题以及充放电过程中的能量损耗。
• 方案：圆圈里面的Q,D,L就是BUCK电路，BUCK电路的负载是超级电容组，然后增加了一个开关，那么开关闭合的时候:在接上电池的时候，超级电容组给负载供电，再把电池拔掉的时候，超级电容组要给负载断电的。4
• 这个开关是用PMOS做的高侧，高端的功率开关。
• 还有就是这里的理想二极管：有两个功能：①防止电流倒灌，如果说超电的电压高于锂电池电压，那么就有可能倒灌。因为左侧的两个MOS管的同步方案中，上面的上管Q1其实有一个体二极管，就会导通的电流通路，导致电流倒灌。 ②非常重要的一点：防止BUCK电路中的反向BOOST现象，因为某些情况下，如果没有理想二极管，那么从超电看向锂电池，就会形成一个L,D,Q的BOOST的拓扑，就会导致反向给锂电池充电，德州仪器TI有一个文档专门讲述：如何减轻反向电流在同步BUCK电路中的问题的。--->尤其是双向BUCK-BOOST电路这个问题尤为严重。 后面并联了一个容值相对于超电小的滤波电容组。
• 我们的控制是控制锂电池输入整个系统的输入功率后就可以保证输入整个系统的功率是恒定的，至于底盘如何消耗超级电容组的功率，是不受这个系统控制的，消耗的功率是取决于底盘的负载的，也就是说这个BUCK电路是非常稳妥的方案，①因为不干扰底盘从超级电容取电的过程。不管底盘消耗的功率多大都是从超级电容给的底盘的电能 ②控制的是输入系统的功率恒定，也就是说Pin是永远不会超过我们的设定功率的，比如假设我需要我的Pin是永远<=35W的。那么系统里面的输入功率就不会输入超过35W，就不会超裁判系统给的功率限制。③整套系统的电压是不会大于锂电池电压的，比如说底盘的电调C620假设给他30V是有可能烧坏的。比如有些队伍用的BUCK-BOOST的升降压电路去做，虽然他会给这个超电多充一点能量，但是会导致有一段时间会>锂电池的电压的，那么如果控制不好的话就容易冲爆。或者是输出电压冲的过高导致损害到我们的底盘。--->而BUCK电路的输出电压永远小于输入电压，作为负载的超级电容组永远接收的电压是小于锂电池的。
• 两个开关管Q1和Q2如何驱动的，因为我们的驱动信号是占空比Duty cicyle，简称D。那么我们的驱动信号如何保证处于死区时间内。如果同时导通就会短路了，也就是说这上下管永远是互补的。上面是导通下面是关断，上面是关断，下面就是导通，然后两者这件一定要有死区时间，比如说Q1的波形和Q2的波形一定是互补波形。死区时间：上管从关断变成导通的瞬间，和下管要留有一定的余量，避免同时导通或者同时断开影响系统。
• 使用NMOS作为半桥驱动：因为两个NMOS，Q1和Q2的半桥结构，这里选择的是LM5106，主要是因为体积很小，这个时候驱动的两个MOS的左边是下管并联的续流二极管。黄色的线圈是电感L，为什么需要下管的续流二极管？
• 画出完整额定半桥驱动结构图：
• 这个半桥驱动LM5106这里额定RDT接一个电阻到GND，是用来设置死区时间的，然后IN是输入的PWM信号,VDD是供电电源，这里需要考虑MOS管的驱动电压Vdsth是多少，我们这里的 VDD是5V，EN是高电平工作。 右边有一个自举电路可以同时控制Q1和Q2的具体结构
• 具体的原理图解释：波形时序图：EN引脚是高电平额定时候系统开始工作，因为我们的NMOS是高电平导通，那么相当于我们的IN也就是PWM是低电平的时候我们的LO导通（此时LO是高电平），IN是高电平的时候HO导通（此时HO是高电平），就是互补的状态，死区时间是RDT的电阻设定的。
• 设计流程图：原理图需求讲解首先需要一个最小系统：这里STM32F042是内置晶振的那么就不需要外置晶振了，然后指示灯，串口通信引出RX,TX，然后加一个CAN总线连接的芯片，+一个调试按键的部分。
• 然后是电源部分：首先明确我们需要几个电压等级：首先是输入电压等级6S的锂电池，TB47，这个电压的范围不是恒定24V，而是充电截止电压4.2V，最低电压大概是2.5V，那么电压范围最高是4.2*6，最低是2.5✖6=15V左右，但是大疆电池有保护系统，也就是电池电压不会放电到最低的系统。①我们的半桥驱动LM5106是设置的VDD是9V 峰值的PWM，那么就用MPS的MP2459做24-9V，另外一个就是降压到5V然后降压给3V3给单片机供电。
• ②H半桥部分：
• ③采样部分：我们需要采样哪一部分的电流？ 我们需要控制这个电池TB47给系统充电的功率，所以我们需要采集从TB47流入系统里面的电流，这部分用的是输入电流采样2512的2W的采样0.008R的采样电阻，配上INA240A2的采样芯片，这个采样芯片是电流采样放大芯片，是放大50倍的固定电流采样芯片，既可以用在高侧也可以用在低侧。既可以采集正向电压又可以采样反向电压， 同时我们需要TB47到输入到系统的功率也就是需要知道电压，我们采用电阻分压来检测，于此同时监控超级电容组的电压---->电阻分压来做的。
• 原理图讲解：①希望实现一个BUCK电容超级电容恒功率充电系统 那么我们就需要考虑我们到底需要设计什么？------->首先需要一个主控，来采集输入电压和电流从而生成给定的占空比然后给超级电容组充电。②监测给这个超级电容组充电的，逐渐给超电充电，超电的电压就会逐渐升高，然后到某个电压我们就把它停掉。 ③需要一个基本的开关功能：就是输入断电的时候比如拔掉电池的时候，输出的电压也需要停止，也就是一个开关的功能。
• 首先这个是单片机的最小系统，这里的VDD和VDDA,VDDA是给ADC做供电的，这里的处理用0R和滤波电容的隔离但是这里还应该有更好的处理：
• 右边的CAN总线，需要一个CAN通信的芯片配上120R的终端电阻和CAN总线的座子，还有串口调试助手配上一个按键防抖动，如果有软件消抖其实也不需要硬件消抖+几个指示灯
• 确定方案:我们驱动半桥MOS管，是打算用LM5106的一个MOS管的半桥驱动芯片。这个半桥驱动芯片的VDD取决于外部选型的MOS管需要的开启电压，我们选择的MOS
• 是PSMN013-80,这里的80是Vds的一个最大耐压值：然后Id能导通的电流是60A，其实已经足够了，但是MOS管也不是超越多越好的。后面会出视频讲解
• 这里的Qg:total gate charge代表的是耐压等级和耐流，能过得电流等级越高的MOS一般情况下的结电容是很大的，那么就会影响其开关速度，一般情况下耐压等级越高，导通电流值越高的Rdson也会越大，也就是导通内阻，其实这个影响是很大的，我们更加希望Rdson更低的这个MOS管。
• 1，2，3，4引脚一般来说4号是G也就是门极也就是Gate栅极，1，2，3都是源极，mb是漏极
• 然后主要看重要的参数Vgs，开启电压，这里有两个值：Vgsth=4.5V也就是高于这个电压才开始导通。
• 正常的驱动电压一般情况要大于Vgsth，然后小于Vgsmax=20V，也就是如果>20V,那么MOS管就会容易烧掉
• 我们这里选择的驱动电压是9V，然后考虑整个系统用的是大疆的TB47或者6S锂电池作为驱动，那么其电压差不多是24V左右。所以我们需要一个降压电路：24V-9V用来变成MOS管的驱动电压。其实这一部分电路也是BUCK，MP2459的MPS的BUCK芯片其内置MOS管，所以外部电路只需要D和二极管，二极管要选快恢复二极管，比如肖特基二极管。然后这里的滤波电容其实也可以完善。这里选择的是10uF.4.7uf和0.1uf其实还可以并联一个100NF的做成输出滤波电容组。
• 然后是9V降压5V，5VJ降压3V3的电路，这里的VCC_S主要是对TB47进行输入滤波处理，也就是输入电池要进行滤波处理，事实上我们的双二极管切换电路的处理是这样的：也就是一个小小的防反接处理，就是说VCC接入，也就是我们直接接入TB47的XT60的接头就是VCC这里，然后经过二极管变成VCC_S作为三个BUCK电路的主输入电压给电源系统供电的，我们一般称为辅助电源系统，辅源.是用来给我们半桥驱动给MCU这些辅助设备供电额定叫做辅助电源，假设我们拔掉大疆电池，我们还可以用VCC_CAP这个超级电容组引电过来的回路给辅助电源系统供电。------>比如说我们TB47给超级电容组充满电之后，然后我们拔掉大疆电池，这个时候超电上面是有电量的，就可以接着给我们的系统供电的。 右上角是非常重要的：整套系统的功率地PGND和负责数字部分的GND采用0R电阻隔离。这一份原理图都是数字地GND。
• 接下来是功率BUCK电路部分：
• 会发现这里我们的下管并联了一个续流二极管，这个续流二极管我们选用的是PBS760，贴片非常小，左右引脚都是其正极，负极是其对应的大的那一部分。肖特基饿快恢复二极管，快恢复二极管反向恢复时间更快，非常适合BUCK电路的，更高频率的开关这种情况，过流能力7A，反向耐压70V.
• 我们仔细看这个LM5106这个半桥驱动芯片我们主要接了：①上管的驱动信号HO1和下管的LO1 ②初始信号Bridge_en是接到单片机的 ③PWM是接到MCU的。这两个信号需要注意两个都是下拉的，然后有一个设置死区时间的电阻10K：RDT
• 然后芯片的VDD引脚有一个辅助供电的自举的电路，由C6和D5组成。这是负责给上管提供合适的驱动信号的电路。注意这里的D5也是要用肖特基二极管。
• 红色的圈起来这一部分就是我们的BUCK电路了：
• 然后右边是要给超电经过一个二极管是防止超电的电流倒灌给电池充电的，然后超级电容的VCC_CAP就是来自P2的这个端口，其实是一个XT30的插头，然后我们有一个开关是用PMOS做的高侧驱动开关。这里用三极管来控制MOS管的门极电压，当我们的enable_out这个引脚接到单片机给高电平的时候，PMOS导通，然后VCC_CAP连接VCC_OUT就会给我们底盘供电。下管并快恢复二极管的作用：①主要是MOS管中体二极管和快恢复二极管性能差多少，因为MOS本身的功耗限制，
• 下一部分：电源接口VCC接入VCC_bridge进行了什么处理呢，也就是我们的VCC进到这个半桥的时候，首先电流✖电压=功率。采样电压这一部分我们用的是两个电阻分压采样，这一部分其实不是很好，因为我们的VCC就是我们的电源电压，也就是大疆电池。通过二极管接到我们的VCC_AD上面。然后VCC_AD接到这里来进行电阻分压，VCC_AD是24V左右我们需要降压到单片机IO口能够承受的范围，这里一个100K一个10K，分压比例11/1.那么最大33V里面都可以，3.3✖11嘛就不会超的。
• 然后右边是VCC_CAP的超级电容的电压采集的一个电路。我们这里VCC到VCC_AD我们加了一个二极管进行保护，所以实际的电池电池应该是VDD_AD+我们的二极管正向导通压降的。其实这个D7也可以省略，只不过是一个保守的设计。
• 然后VCC到GND之间我们接了一个瞬态抑制二极管也就是TVS，30V也就是防止开关的打火
• 然后是滤波电容组：220uF的电解电容，但是电解电容的ESR挺大，发热严重，功耗大，用固态电容更好
• 然后 是VCC_Bridge也要有滤波电容组
• 然后两个指示灯：那么电压采集电路就介绍完毕，接下来介绍电流采集电路。
• 电流采样有非常多的方案，但是一般选择较多的是高侧电流采样方案，比如画根线这里是电源然后这里的负载然后负载不是要接GND吗，然后我们在这个圆圈这里进行做采样，也就是在采样电阻的上方或者霍尔传感器之类的，负载上方是高侧，负载下方是低侧电源采样。高侧和低侧有具体的优缺点。
• 这里是高侧的方案，就是在电源输出的接口VCC大疆电池，然后VCC这里接一个采样电阻，采样电阻要注意封装和功率的选择，不能用普通的电阻，需要用高精度的一个采样电阻，这里选择的是8mR的2512采样电阻。因为要计算功率问题，I2R，算出来假设通过的电流是5A那么功率必须在电阻承受的功率范围内。然后接到这个VCC_Bridge上面就可以采集输入到整个Buck电路的这个电流的大小。也有些队伍采用运放区做的，运算放大器做的放大做的比较麻烦，而且出问题的地方比较多，这里直接用一个INA240A2的集成放大器的电流采样芯片固定放大50倍，然后输出到我们的AD_Current_in这个引脚里面，这个是单片机的ADC引脚，然后R29和C9是组成的低通滤波电路。这里VS是给电源做滤波的，这里的滤波电路也有一个小问题，最好是三个或者四个给芯片做滤波组合。三个的话：0.1，1，10uF做滤波，然后0.1和0.01去选MLCC,1Uf,10uF固态或者钽电容。四个的话就+一个100nF的电容，容值越小PCB要越靠近芯片。
• 问题：

• 本设计原理图说明：
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• 如果大家仔细仔细研读了上述个人笔记以及介绍后，其实大家能够对超级电容应该有非常深刻的认知了，那么这个原理图对于大家来说其实就是一个比较简单的设计了，但工程应用最主要的是如何对产品进行测试，我们对此款超级电容均衡均压板进行了N次测试，包括针对负载仪在1A-10A进行放电测试，以及利用学生电源进行3A的充电，观看充电和放电的各种曲线以及各种是护具，其中我们的这块板子炸裂了很多次，包括均衡芯片其中一个突然冒烟，输出端突然冒蓝光，不小心短路鳄鱼线直接冒黑烟，这些都是工程经验中总结出来的，对此原理图的介绍相信大家已经能够针对性的得出结论了，但是超级电容模组的研发离不开均衡均压板+主控管理板+充电管理板三块板子才能够构成一套完成的超级电容体系，剩下的两块板子均会为未来进行开源，希望各位不管是Rcer还是Rcer，对于我们来说首先是理论知识的学习其次是工程实践的锻炼，我说再多也没有用，重要的是我们如何进行测试的，因为测试的过程总是会出现各种各样的问题hhhhhh~。
• Pcb图鉴：（大佬们轻点喷~我是菜鸡来的hhhh）
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• 实物欣赏：