超級電容器可能是優(yōu)于電池的選擇

1、超級電容器可能是優(yōu)于電池的選擇超級電容器一直用于常規(guī)電容器和電池之間的專門市 場，隨著更多新應用的發(fā)現(xiàn)，這一專門市場也在不斷增長。 在數(shù)據(jù)存儲應用中，超級電容器正在取代電池，這類應用 由于突然斷接問題，需要中到大電流/短持續(xù)時間的備份 電源和電池備份。具體應用包括3.3V內存?zhèn)浞莨虘B(tài)硬盤 (SSD)、電池供電的便攜式工業(yè)和醫(yī)療設備、工業(yè)警報器 以及智能功率計。與電池相比，超級電容器能提供更大的峰值功率，具有 更小的外形尺寸，在更寬的工作溫度范圍內具有更長的充 電周期壽命，還具有更低的等效串聯(lián)電阻(ESR)，可提供 更高的功率密度。與標準陶瓷、鉭或電解質電容器相比， 超級電容器以類似的外形尺寸和

2、重量，提供更高的能量密 度。通過降低超級電容器的Top-Off電壓，并避開高溫 (50C)，可以最大限度地延長超級電容器的壽命。下表1 比較了超級電容器、電容器和電池的關鍵特點。表1：超級電容器、電容器和電池的比較超吸電容器電容器電池瓦秒匪督瓦-秋帷盅瓦-小時有溫充電方快辯于之間的電壓 即用電池j宜胃子之閭的電壓 【即用楚池）電質和雌所提供的功率吒fi場包疑性或指敬 電壓裝睚域速族電戲性或擔 數(shù)電伍衰誠在很長一毆時詢內 保持橙定苞壓充電，放申.時間毫秒至秒9至1日小時夕跳尺寸小耿天專至為ig至i口略的至ROkg堡星密度1 至 5Wh/kg0.01 至 O.OiWhg3 至 600Wkg功率密度

3、部斗而祕kg高.，幅100至 SOOOWg每節(jié) 2-3V2 2 75V6VS 80CV每節(jié)1.W至4.W痛打而W中周期Wl血由周航15口筌isSf不聞期如至十8SY為至十ItHTC7C 至-+&5*-C總結：超級電容器與電池的比較電池：高能量密度中等的功率密度溫度較低時具很高的ESR 超級電容器：中等的能量密度高的功率密度低ESR 即使在低溫情況（-20C與25C相比，約增大2倍）超級電容器的限制：每節(jié)的最高電壓限制為2.5V或2.75V在疊置應用中，必須補償漏電流之差在高充電電壓和高溫時，壽命迅速縮短較早一代的兩節(jié)超級電容器充電器設計是為用于從3.3V、3xAA或鋰離子/聚合物電池以低電流充

4、電。然而， 超級電容器技術的改進使市場得以擴大，因此出現(xiàn)了中到 大電流應用機會，這類應用未必限定在消費類產(chǎn)品領域內。 主要應用包括固態(tài)硬盤和海量存儲備份系統(tǒng)、工業(yè)用PDA 和手持式終端等便攜式大電流電子設備、數(shù)據(jù)記錄儀、儀 表、醫(yī)療設備以及各種各樣“瀕臨電源崩潰”的工業(yè)應用（例 如安全設備和警報系統(tǒng)）。其他消費類應用包括那些具大功 率突發(fā)的應用，例如相機中的LED閃光燈、PCMCIA卡 和GPRS / GSM收發(fā)器、以及便攜式設備中的硬盤驅動 器（HDD）。超級電容器的設計挑戰(zhàn)超級電容器有很多優(yōu)點，不過，當兩個或更多電容器串 聯(lián)疊置使用時，就給設計師帶來了各種問題，例如容量平 衡、充電時電容過

5、壓損壞、過度吸取電流、以及大的解決 方案占板面積。如果頻繁需要大的突發(fā)峰值功率，那么也 許需要較大的充電電流。此外，很多充電電源可能是電流 受限的，例如，在電池緩沖器應用或在USB / PCCARD環(huán) 境中。就空間受限和較大功率的便攜式電子設備而言，能 夠解決這些問題是至關重要的。通過IC的反向傳導一般會引起災難性事件。諸如串聯(lián) 整流二極管等外部解決辦法效率不是很高，因為壓降很大。 肖特基二極管的正向壓降較小，因此可實現(xiàn)較高的系統(tǒng)效 率，但是比常規(guī)二極管昂貴。另一方面，場效應管(FET)提 供了低導通電阻和極低的損耗。內部的FET控制電源通 路(PowerPath) 電路是解決這個問題的好辦法

6、，可避免 可能導致?lián)p壞的結果。倘若輸入突然降至低于輸出，那么 憑借電源通路控制，這類IC的控制器可以快速徹底地斷 開內部FET，以防止發(fā)生從輸出返回到輸入電源的反向傳 導。容量平衡的串聯(lián)超級電容器可確保每節(jié)電容上的電壓 都大約相等，而如果超級電容器中容量不平衡，就可能導 致過壓損壞。就小電流應用而言，具外部電路以及為每節(jié) 電容器提供一個平衡電阻器的充電泵是解決這個問題的低 成本方案，平衡電阻器的值主要取決于電容器的漏電流， 原因如后面所述。為了限制平衡電阻器引起的漏電流對超 級電容器能量存儲的影響，設計師可以選擇使用電流很低 的有源平衡電路。容量失配的另一個來源是漏電流之差。 電容器中的漏電流

7、開始時相當大，然后隨著時間推移衰減 到較小的值。不過，如果串聯(lián)電容器的漏電流之間是失配 的，那么某些電容器再充電時可能會過壓，除非設計師選 擇的平衡電阻器能在每節(jié)電容器上提供比電容器漏電流大 得多的負載電流。不過，平衡電阻器引入了不想要的電流 分量和永久性的放電電流，這給應用電路增加了負擔。如 果以大電流對失配的電容器充電，那么平衡電阻器也不對 各節(jié)電容器提供過壓保護。就小到中功率應用而言，解決超級電容器充電問題的另 一種低成本（但復雜的）方法是使用一個限流開關加上一 些分立式組件和一些外部無源組件。在這種方法中，限流 開關提供充電電流和限制，而電壓基準和比較器IC則提 供電壓箝位，最后，一個

8、運算放大器（吸收/提供）和平 衡電阻器實現(xiàn)超級電容器的容量平衡。然而，鎮(zhèn)流電阻器 的值越小，靜態(tài)電流就越大，電池運行時間就越短；當然， 其顯而易見的好處是節(jié)省了成本。不過，這種方法實現(xiàn)起 來非常笨重，而且性能不高。任何可高效地滿足上述小到中電流超級電容器充電器 IC設計限制的解決方案都會包括一個面向兩節(jié)串聯(lián)超級 電容器和基于充電泵的充電器以及自動容量平衡和電壓箝 位。凌力爾特已經(jīng)為這類應用開發(fā)出了一個簡單但尖端的 單片超級電容器充電器IC，該IC不需要電感器，也不需 要平衡電阻器，提供了反向隔離，并有多種工作模式，而 且靜態(tài)電流還很低。一種簡單的解決方案LTC3226是凌力爾特兩節(jié)超級電容器充

9、電器系列的最 新產(chǎn)品。該器件是一款無電感器的超級電容器充電器，具 有備份的電源通路控制器，適用于在需要短期備份電源的 應用中使用的鋰離子或其他低壓系統(tǒng)軌。該器件具恒定輸 入電流，采用低噪聲雙模式（1x / 2x）充電泵架構，用2.5V 至5.5V的輸入電源給兩節(jié)串聯(lián)的超級電容器充電，并充 電至2.5V至5.3V的可編程電容器充電電壓。充電器的 輸入電流可用電阻器編程，高達315mA。該器件的自動容 量平衡和電壓箝位功能可保持兩節(jié)電池上的電壓相等，因 而無需平衡電阻器。這保護了每節(jié)超級電容器免受過壓損 壞（否則電容或漏電流失配可能引起這種過壓損壞），同時 最大限度地降低了電容器上的漏電流。LTC

10、3226有兩種工作模式：正常模式和備份模式。工 作模式由可編程電源故障（PFI）比較器決定。在正常模式 中（PFI為高電平），功率通過一個低損耗外部FET理想 二極管從vin輸送至vout，而且充電泵保持接通狀態(tài)以對 超級電容器組進行Top-off充電。在備份模式（PFI為低 電平），充電泵關斷，內部LDO接通，以用超級電容器存 儲的電荷提供vout負載電流，同時外部理想二極管防止 反向電流流進V|N。超級電容器通過內部LDO提供的備 份電流可高達2A。當輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時，LTC3226用非常低的 55uA靜態(tài)電流工作。該IC采用纖巧的3mm x 3mm QFN封裝，基本充電電路需要很少

11、的外部組件，占用空間 也很小。該器件的900kHz高工作頻率可減小外部組件尺 寸。內部限流和熱停機電路允許該器件承受從PROG、 vout或CPO引腳到地的持續(xù)短路而不受損壞。其他特點 包括CAP PGOOD和VIN PFO (電源故障)輸出以及用 于系統(tǒng)內務處理的VOUT RST輸出。LTC3226采用緊湊的16引線、扁平(0.75mm) 3mmx 3mm QFN封裝，在- 至的溫度范圍內40 C 125 C工作。圖1： LTC3226的方框圖/應用要構成一個可與LTC3226相比的解決方案，需要非常 復雜地組合多個IC： 一個用于超級電容器充電的降壓/ 升壓型穩(wěn)壓器、一個用于備份電源通路的

12、2A LDO、一個4 通道比較器以及用于外部“理想二極管”加監(jiān)視功能的背對 背FET，還有一個運算放大器和各種不同的分立式組件， 以實現(xiàn)保護性分流和小電流平衡。另外，用戶還可以選擇 一種“低價”方法，該方法僅對超級電容器充電，并提供備份 控制（不用兩個比較器和運算放大器），不過這種方法沒有 充電電流限制、小電流平衡、電容器保護或電壓監(jiān)視功能。 與更加昂貴的分立式解決方案相比，這種廉價方法可以用 不那么昂貴的低值電阻器取代比較昂貴的高值電阻器和運 算放大器的組合，但這種低值電阻器消耗大量靜態(tài)電流， 而且沒有為超級電容器提供過壓保護（箝位）。電源通路控制和理想二極管LTC3226含有一個理想二極管

13、控制器，該控制器通過 GATE引腳控制輸入V|N和輸出VOUT之間連接的外部 PFET的柵極。參見圖2以了解詳細信息。在正常工作條 件下，這個外部FET構成了從輸入到輸出的主電源通路。 就非常輕的負載而言，該控制器在輸入和輸出電壓之間的 FET上保持了 15mV的增量。倘若VIN突然降至低于 Vout，那么該控制器就快速徹底關斷FET，以防止從 vout返回輸入電源的任何反向傳導。圖2： LTC3226的方框圖工作模式LTC3226有兩種工作模式：正常模式和備份模式。如 果VIN高于外部可編程的PFI門限電壓，那么該器件就處 于正常模式，在這種模式時，功率通過外部FET從VIN流 到vout，

14、且內部充電泵保持接通，直至達到超級電容器組 的Top-Off電壓為止。如果VIN低于該PFI門限，那么 該器件就處于備份模式。在這種模式時，內部充電泵關斷， 外部FET關斷，但LDO接通，以用存儲的電荷提供負 載電流。參見圖3以了解詳細信息。成IE常模式切換到 備冊模式時的瞬悉波形即 W網(wǎng) 300 做 敏 時間，圖3：LTC3226從正常模式切換到備份模式時的瞬態(tài)波形電壓箝位電路LTC3226充電泵配備了用于將任意超級電容器兩端的 電壓限制為一個2.65V的最大可容許預設電壓的電路。如 果頂部電容器兩端的電壓(VMID-VCPO)在CPO引腳 達到目標電壓之前達到了 2.65V，那么充電泵就通

15、過 CPO引腳停止對電容器組中頂部電容器充電，切換到1x 模式，并通過VMID引腳直接向底部的電容器提供電荷， 直至電容器組的電壓達到設定值為止。如果底部電容器兩 端的電壓在電容器組達到目標值之前達到2.65V，那么充 電泵就通過CPO引腳繼續(xù)向電容器組中頂部的電容器提 供電荷，而且并聯(lián)穩(wěn)壓器接通，以泄放底部電容器的電荷， 防止VMID引腳電壓進一步上升。并聯(lián)穩(wěn)壓器能對約為 315mA (在1x模式)的最大可允許充電電流分流。倘若兩 個電容器都超過了 2.65V,那么充電泵就關斷大多數(shù)電路， 進入休眠模式。漏電流平衡電路LTC3226備有一個內部漏電平衡放大器，該放大器將 VMID引腳電壓維持

16、在剛好等于CPO引腳電壓一半的數(shù) 值上。不過，該放大器的提供電流（約為4.5mA）和吸收 電流（約為5.5mA）能力有限。這個放大器用來應對由漏 電流引起的超級電容器的微小失配，由于有缺陷，因此不 用來矯正大的失配。只要輸入電源電壓高于PFI門限，平 衡器就工作。該內部平衡器無需外部平衡電阻器。表2顯示了對凌力爾特超級電容器充電器系列各款器 件的比較。表2：凌力爾特超級電容器充電器的比較LT。皿TC322 5-1LTC4-135LTO?S -1-函*艇筆 4-LD01心蛔t握悲土國曾的35 IE （VinjV- 外壓耿Vmid）H壓老偃干電騫群？質女充空電瀟l&OmA giWkVA GLJ15

17、0 mA2AiM 2A.WH1&隔小電刮.500mA （-十KM (JVPW_JL_有無帽制無底耕自4（也同日f克巳.i黑（也間葉死電1黑阻同用文電i電暮翅路有王無外部訴n壬V?ul二KX無汽都備醐式LDOW. 2A無無無嵌電壓弛闈2.SV 至 5.5V2.0V 至 5.5V27V 55V2 7V I6.5V昇臺電謳川點俺、蜀宣限料、反間電說反向電廈地筋反國皂溢質閭電謨TTTBFyriOJ x 3 CfN-12, M5OP-12mTFR一結論目前，超級電容器正用于電池一度是標準配置的應用 中。最初的應用是小電流的，不過技術已經(jīng)進步，超級電 容器現(xiàn)在已經(jīng)用于消費類和非消費類市場上多種中到大功 率的應用。超級電容器與電池相比有很