超級電容器充電器平衡有關(guān)探討

　　LDO 是一種線性穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器使用在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或 FET，從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓。所謂壓降電壓，是指穩(wěn)壓器將輸出電壓維持在其額定值上下 100mV 之內(nèi)所需的輸入電壓與輸出電壓差額的最小值。正輸出電壓的LDO（低壓降）穩(wěn)壓器通常使用功率晶體管（也稱為傳遞設(shè)備）作為 PNP。這種晶體管允許飽和，所以穩(wěn)壓器可以有一個(gè)非常低的壓降電壓，通常為 200mV 左右；與之相比，使用 NPN 復(fù)合電源晶體管的傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器的壓降為 2V 左右。負(fù)輸出 LDO 使用 NPN 作為它的傳遞設(shè)備，其運(yùn)行模式與正輸出 LDO 的 PNP設(shè)備類似。

在 LDO 模式時(shí)，通過 FB 引腳用一個(gè)外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定輸出電壓 （VOUT），該分壓器網(wǎng)絡(luò)由 RFB1 和 RFB2 組成，而充電電流通過 PROG 引腳用一個(gè)外部電阻器 RPROG 設(shè)定。參見圖 2 中所示的方框圖。充電器控制電路由一個(gè)恒定電流放大器和一個(gè)恒定電壓放大器組成。當(dāng)啟動(dòng)該 IC 以給一個(gè)已放電的超級電容器組充電時(shí)，最初恒定電流放大器起控制作用，并伺服 PROG 引腳電壓至 1V。通過 PROG 電阻器的電流乘以約為 1,000 的檢測 MOSFET （MPSNS） 和功率 MOSFET （MPSW） 之比，以給超級電容器組充電。當(dāng)輸出電壓 VOUT 接近設(shè)定值時(shí)，恒定電壓放大器接管控制權(quán)，而且如果有必要?jiǎng)t減少充電電流，以保持 FB 引腳電壓等于一個(gè) 1.2V 的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。因?yàn)?PROG 引腳電流始終約為充電電流的 1/1,000，所以 PROG 引腳電壓持續(xù)指示實(shí)際充電電流，即使在恒定電壓放大器起控制作用時(shí)也是如此。

　　充電電流曲線 （通常） 模式

　　當(dāng) FB 引腳短路到輸入電壓 VIN 時(shí)，LTC4425 進(jìn)入充電電流曲線模式。在這種工作模式時(shí)，恒定電壓放大器從內(nèi)部禁止，但是充電電流仍然通過外部 RPROG 電阻器設(shè)定。如果輸入至輸出電壓差 （VIN – VOUT） 超過 750mV，那么充電器提供的電流是設(shè)定充電電流的 1/10， 以限制芯片內(nèi)的功耗。當(dāng) VOUT 進(jìn)一步上升時(shí)，充電器 FET 兩端的電壓變得太低，以至于無法支持滿充電電流。因此充電電流逐步降低，充電器 FET 進(jìn)入三極管 （符合歐姆定律的） 工作區(qū) （參見圖 3）。既然充電器 FET RDS（ON） 近似為 50mΩ，那么在設(shè)定充電電流為 2A 時(shí)，F(xiàn)ET 將進(jìn)入符合歐姆定律歐姆的區(qū)，且當(dāng) VOUT 與 VIN 相差約100mV 以內(nèi)時(shí)，充電電流將開始下降。

　　電壓箝位電路

　　LTC4425 配備的電路可將超級電容器組中兩個(gè)超級電容器兩端的電壓限制到最高可允許電壓 VCLAMP。有兩個(gè)通過 SEL 引腳可選的 VCLAMP 預(yù)置電壓：2.45V 或 2.7V。就較低的 2.45V VCLAMP 電壓而言，SEL 引腳應(yīng)該設(shè)定為邏輯低電平，而對于較高的 2.7V VCLAMP 電壓，該引腳則應(yīng)設(shè)為邏輯高電平。類似地，如果頂端電容器兩端的電壓 （VTOP） 先達(dá)到 VCLAMP，那么 PMOS 并聯(lián)晶體管就接通，并開始從頂端的電容器向底端的電容器泄放電荷。

　　當(dāng)任一超級電容器兩端的電壓達(dá)到與 VCLAMP 相差 50mV 以內(nèi)時(shí)，互導(dǎo)放大器就開始線性地降低充電電流。到任一并聯(lián)器件接通時(shí)，充電電流降至設(shè)定值的 1/10，而且只要該并聯(lián)器件接通，就保持這個(gè)值不變。這是為了防止并聯(lián)器件被過大的熱量損壞。控制并聯(lián)器件的比較器有 50mV 的遲滯，這意味著，當(dāng)任一電容器兩端的電壓降低 50mV 時(shí)，并聯(lián)器件斷開，并以滿充電電流恢復(fù)正常充電，除非受到另一個(gè)控制充電器 FET 柵極放大器的限制。如果兩個(gè)電容器都超過它們的最大可允許電壓 VCLAMP，那么主充電器 FET 完全關(guān)斷，而且兩個(gè)并聯(lián)器件都接通。兩個(gè)并聯(lián)器件實(shí)際上是電流反射鏡，保證分走比通過充電器 FET 的電流更大的電流。

　　漏電流平衡電路

　　LTC4425 還配備了一個(gè)內(nèi)部漏電流平衡放大器 （LBA），該放大器使中點(diǎn) （即 VMID 引腳） 電壓準(zhǔn)確地等于輸出電壓 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供應(yīng)和吸收能力，它被設(shè)計(jì)成用來處理由漏電流引起的超級電容器的輕微失配，而不是用來糾正由缺陷引起的任何嚴(yán)重失配。只要有輸入電壓存在，平衡器就工作。有了該內(nèi)部平衡器，就無需外部平衡電阻器了。

　　表 2 比較了凌力爾特超級電容器充電器系列的器件。

　　結(jié)論

　　目前，超級電容器正用于一度由電池主導(dǎo)的應(yīng)用中。最初的應(yīng)用是小電流，不過技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，超級電容器現(xiàn)在已經(jīng)用于消費(fèi)類和非消費(fèi)類市場上多種中到大功率的應(yīng)用。超級電容器與電池相比有很多固有的優(yōu)點(diǎn)，如可提供較高的峰值功率、較長的周期壽命以及較小的外形尺寸。不過，采用超級電容器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師面臨很多問題，如需要容量平衡以及潛在的超級電容器過壓損壞。