雙向超級(jí)電容器充電器集成了備份和平衡功能

摘要：本文介紹了超級(jí)電容器，并對(duì)超級(jí)電容器與電池進(jìn)行比較，分析了電容器設(shè)計(jì)困境與挑戰(zhàn)。

1 背景信息

　　超級(jí)電容器 (又稱為 SCAP、雙層電容器等) 不僅僅是電容非常大的電容器。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級(jí)電容器以類似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和更大的電容。隨著生產(chǎn)超級(jí)電容器的成本持續(xù)下降，同時(shí)市場(chǎng)逐步了解超級(jí)電容器的功能，超級(jí)電容器正在傳統(tǒng)電容器和電池之間開(kāi)拓出一個(gè)日益增長(zhǎng)且有利可圖的市場(chǎng)。此外，盡管對(duì)待超級(jí)電容器需要某種程度上的“小心維護(hù)”，但是在那些要求高電流 / 短持續(xù)時(shí)間后備供電的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中，它們可為電池起到增補(bǔ)作用 (作為一種可降低主電源所承受之應(yīng)力從而延長(zhǎng)其壽命的互補(bǔ)電源)，甚至取代電池。再者，超級(jí)電容器還可用在需要大電流突發(fā)或短暫電池備份的各種高峰值功率和便攜式應(yīng)用中，例如 UPS (不間斷電源) 系統(tǒng)。與電池相比，超級(jí)電容器以更小的外形尺寸提供峰值功率更大的突發(fā)，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)提供更長(zhǎng)的充電周期壽命。通過(guò)降低電容器的 Top-Off 電壓和避免高溫 (>50℃)，可以最大限度延長(zhǎng)超級(jí)電容器的壽命。參見(jiàn)圖 1 和表 1 以了解超級(jí)電容器的能量密度以及與其他形式電源的比較。

2 超級(jí)電容器與電池比較總結(jié)

2.1 電池

　　? 能量密度高;

　　? 合理的功率密度;

　　? 在低溫時(shí) ESR 高。

2.2 超級(jí)電容器

　　? 合理的能量密度;

　　? 功率密度高;

　　? 低 ESR-甚至在低溫時(shí) (–20℃與 25℃ 相比，提高約 2 倍)。

2.3 超級(jí)電容器限制

　　? 最高終止電壓限制到 2.5V 或 2.75V;

　　? 插入浪涌電流太大;

　　? 在保持應(yīng)用中無(wú)電流反向保護(hù)。

2.4 串聯(lián)超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)

　　? 允許更好地利用能量 E = 1/2 CV²;

　　? 簡(jiǎn)化“瀕臨崩潰”/ 備份電路;

　　? 對(duì)于 3.3V 備份采用升壓而不是降壓;

　　? 適合大功率備份、工業(yè)溫度范圍。

2.5 串聯(lián)超級(jí)電容器的潛在問(wèn)題

　　? SCAP 可能有容量失配問(wèn)題;

　　? SCAP 泄漏失配可能隨時(shí)間變化引起過(guò)壓?jiǎn)栴} ─ 電池需要持續(xù)平衡;

　　? SCAP 電容和 ESR 隨時(shí)間變化下降，而且不總是以同樣的速率下降;

　　? SCAP 退化隨過(guò)壓和高溫而加速。

3 超級(jí)電容器設(shè)計(jì)困境

　　超級(jí)電容器有很多優(yōu)勢(shì)，然而在給串聯(lián)的能量存儲(chǔ)器件充電時(shí)，最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)師可能要面對(duì)諸如電池容量平衡、充電時(shí)電池過(guò)壓損壞、過(guò)大的電流消耗、解決方案占板面積很大而空間利用率又至關(guān)重要等問(wèn)題。

　　串聯(lián)電容器的容量平衡確保每節(jié)電池上的電壓大致相當(dāng)。超級(jí)電容器的容量不平衡可能導(dǎo)致過(guò)壓損壞。每節(jié)電池配備一個(gè)平衡電阻器的外部電路是解決容量不平衡問(wèn)題的一種辦法。平衡電阻器的值將取決于超級(jí)電容器的工作溫度及其充電 / 放電曲線。為了限制平衡電阻器引起的電流泄漏對(duì)超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)的影響，設(shè)計(jì)師還可以使用電流非常小的主動(dòng)平衡電路。另一個(gè)容量失配的原因是泄漏電流不同。電容器的泄漏電流開(kāi)始時(shí)很大，然后隨著時(shí)間推移降至較低的值。不過(guò)，如果串聯(lián)電池之間的泄漏電流失配，那么電池一開(kāi)始再充電就可能過(guò)壓，除非設(shè)計(jì)師用平衡電阻器消除泄漏電流。不過(guò)，平衡電阻器產(chǎn)生不想要的組件和負(fù)載電流，加重了應(yīng)用電路負(fù)擔(dān)。

4 超級(jí)電容器充電器IC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　在開(kāi)始設(shè)計(jì)超級(jí)電容器充電方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須考慮的一些更棘手的問(wèn)題是以下需求：

　　(1)備份能力。超級(jí)存儲(chǔ)電容器最終要提供存儲(chǔ)的能量，以在主電源軌萬(wàn)一出故障時(shí)提供備份。因此，通常需要兩個(gè)單獨(dú)的電源轉(zhuǎn)換器：第一個(gè)用來(lái)給超級(jí)電容器充電，第二個(gè)用來(lái)保持主電源軌吸取超級(jí)電容器中存儲(chǔ)的能量。用單個(gè)轉(zhuǎn)換器提供這兩種功能是最理想的，但是，轉(zhuǎn)換器必須雙向工作，檢測(cè)主電源何時(shí)缺失，并在備份和充電模式之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要具備很寬的工作范圍，以確保利用所有可用備份能量。