如何選擇超級(jí)電容器

超級(jí)電容器的兩個(gè)主要應(yīng)用：高功率脈沖應(yīng)用和瞬時(shí)功率保持。高功率脈沖應(yīng)用的特征：瞬時(shí)流向負(fù)載大電流；瞬時(shí)功率保持應(yīng)用的特征：要求持續(xù)向負(fù)載提供功率，持續(xù)時(shí)間一般為幾秒或幾分鐘。瞬時(shí)功率保持的一個(gè)典型應(yīng)用：斷電時(shí)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)頭的復(fù)位。不同的應(yīng)用對(duì)超電容的參數(shù)要求也是不同的。高功率脈沖應(yīng)用是利用超電容較小的內(nèi)阻(R)，而瞬時(shí)功率保持是利用超電容大的靜電容量(C)。

下面提供了兩種計(jì)算公式和應(yīng)用實(shí)例：

C(F)： 超電容的標(biāo)稱(chēng)容量；

R(Ohms)： 超電容的標(biāo)稱(chēng)內(nèi)阻；

ESR(Ohms)：1KZ下等效串聯(lián)電阻；

Uwork(V)： 在電路中的正常工作電壓；

Umin(V)： 要求器件工作的最小電壓；

t(s)： 在電路中要求的保持時(shí)間或脈沖應(yīng)用中的脈沖持續(xù)時(shí)間；

Udrop(V)： 在放電或大電流脈沖結(jié)束時(shí)，總的電壓降；

I(A)： 負(fù)載電流；

瞬時(shí)功率保持應(yīng)用

超電容容量的近似計(jì)算公式，該公式根據(jù)，保持所需能量=超電容減少能量。

保持期間所需能量=1/2I(Uwork+ Umin)t；

超電容減少能量=1/2C(Uwork2 -Umin2)，

因而，可得其容量(忽略由IR引起的壓降)C=(Uwork+ Umin)t/(Uwork2 -Umin2)

實(shí)例：

假設(shè)磁帶驅(qū)動(dòng)的工作電壓5V，安全工作電壓3V。如果直流馬達(dá)要求0.5A保持2秒（可以安全工作），那么,根據(jù)上公式可得其容量至少為0.5 F。

因?yàn)?V的電壓超過(guò)了單體電容器的標(biāo)稱(chēng)工作電壓。因而，可以將兩電容器串聯(lián)。如兩相同的電容器串聯(lián)的話(huà)，那每只的電壓即是其標(biāo)稱(chēng)電壓2.5V。

如果我們選擇標(biāo)稱(chēng)容量是1F的電容器，兩串為0.5F?？紤]到電容器－20％的容量偏差，這種選擇不能提供足夠的裕量?？梢赃x擇標(biāo)稱(chēng)容量是1.5F的電容器，能提供1.5F/2=0.75F?？紤]－20％的容量偏差，最小值1.2F/2＝0.6F。這種超級(jí)電容器提供了充足的安全裕量。大電流脈沖后，磁帶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)入小電流工作模式，用超電容剩余的能量。

在該實(shí)例中，均壓電路可以確保每只單體不超其額定電壓。

脈沖功率應(yīng)用

脈沖功率應(yīng)用的特征：和瞬時(shí)大電流相對(duì)的較小的持續(xù)電流。脈沖功率應(yīng)用的持續(xù)時(shí)間從1ms到幾秒。

設(shè)計(jì)分析假定脈沖期間超電容是唯一的能量提供者。在該實(shí)例中總的壓降由兩部分組成：由電容器內(nèi)阻引起的瞬時(shí)電壓降和電容器在脈沖結(jié)束時(shí)壓降。關(guān)系如下：

Udrop=I(R+t/C)

上式表明電容器必須有較低的R和較高的C壓降Udrop才小。

對(duì)于多數(shù)脈沖功率應(yīng)用，R的值比C更重要。以2.5V1.5F為例。它的內(nèi)阻Ｒ可以用直流ESR估計(jì)，標(biāo)稱(chēng)是0.075Ohms(DC ESR=AC ESR*1.5＝0.060Ohms*1.5=0.090Ohms)。額定容量是1.5F。對(duì)于一個(gè)0.001s的脈沖，t/C小于0.001Ohms。即便是0.010的脈沖t/C也小于0.0067Ohms，顯然R（0.090Ohms）決定了上式的Udrop輸出。

實(shí)例：

GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器需要一每間隔4.6ms達(dá)2A的電流，該電流持續(xù)0.6 ms。這種調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)用在筆記本電腦的PCMCIA卡上。筆記本的和PCMCIA連接的限制輸出電壓3.3V+/-0.3V筆記本提供1A的電流。許多功率放大器（PA）要求3.0V的最小電壓。對(duì)于筆記本電腦輸出3.0V的電壓是可能的。到功率放大器的電壓必須先升到3.6V。在3.6V的工作電壓下（最小3.0V），允許的壓降是0.6V。

選擇超級(jí)電容器（C：0.15F,AC ESR：0.200Ohms,DC ESR：0.250Ohms）。對(duì)于2A脈沖，電池提供大約1A，超電容提供剩余的1A。根據(jù)上面的公式，由內(nèi)阻引起的壓降：1A×0.25Ohms=0.25V。I(t/C)=0.04V它和由內(nèi)阻引起的壓降相比是小的。

結(jié)論

不管是功率保持還是功率脈沖應(yīng)用都可以用上公式計(jì)算．當(dāng)電路的工作電壓超過(guò)超電容的工作電壓時(shí)，可以用相同的電容器串聯(lián)．一般地，串聯(lián)應(yīng)該保持平衡以確保電壓平均分配．在脈沖功率應(yīng)用中由超電容內(nèi)阻引起的壓降通常是次要因素。電容器超低的內(nèi)阻提供一種克服傳統(tǒng)電池系統(tǒng)阻抗大的全新的解決方案。