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2A超級(jí)電容器充電器平衡和保護(hù)便攜式應(yīng)用中的超級(jí)電容器

時(shí)間：2010-11-02 09:30 來源：21ic 作者：凌力爾特公司

背景

超級(jí)電容器在傳統(tǒng)電容器和電池之間開拓了一個(gè)縫隙市場(chǎng)。它們正在取代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中的電池，這類應(yīng)用需要大電流/持續(xù)時(shí)間短的備份電源，超級(jí)電容器也正用于各種高峰值功率應(yīng)用，而這類應(yīng)用需要大的電流突發(fā)或補(bǔ)充性電池備份。與電池相比，超級(jí)電容器具有提供更高峰值功率的能力，因此提供了更高的功率密度，而且它們外形尺寸小、在更寬的工作溫度范圍內(nèi)有更長的充電周期壽命且具有更低的 ESR。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級(jí)電容器的外形尺寸和重量與其類似，但提供更高的能量密度。通過降低超級(jí)電容器的 Top-Off 電壓，并避免高溫 (>50°C)，可最大限度地延長電容器的壽命。

表 1：超級(jí)電容器、普通電容器及電池的比較

參數(shù)	超級(jí)電容器	普通電容器	電池
能量存儲(chǔ)	瓦-秒能量	瓦-秒能量	瓦-小時(shí)能量
充電方法	橫越兩端口的電壓 (即用電池)	橫越兩端口的電壓 (即用電池)	電流和電壓
功率提供	快速放電，線性或指數(shù)電壓衰減	快速放電，線性或指數(shù)電壓衰減	在長時(shí)間內(nèi)保持恒定電壓
充電/放電時(shí)間	毫秒至秒	皮秒至毫秒	1 至 10 小時(shí)
外形尺寸	小	小到大	大
重量	1g 至 2g	1g 至 10kg	1g 至>10kg
能量密度	1 至 5Wh/kg	0.01 至 0.05Wh/kg	8 至 600Wh/kg
功率密度	高，>4000W/kg	高，>5000W/kg	低，100-3000W/kg
工作電壓	2.3V 至 2.75V (每節(jié))	6V 至 800V	1.2V 至 4.2V (每節(jié))
壽命	>10 萬個(gè)周期	>10 萬個(gè)周期	150 至 1500 個(gè)周期
工作溫度	-40 至 +85°C	-20 至 +100°C	-20 至 +65°C

小結(jié) － 超級(jí)電容器與電池的比較：

• 電池：

• 高能量密度

• 適度的功率密度

• 在低溫時(shí)具有大的等效串聯(lián)電阻 (ESR)

• 超級(jí)電容器：

• 適度的能量密度

• 高功率密度

• 低 ESR (甚至在低溫時(shí))

(從 -20°C 增至 25°C 時(shí)約提高 2 倍)

• 超級(jí)電容器的限制：

• 每節(jié)最大值限制為 2.5V 或 2.75V

• 在疊置式應(yīng)用中必須補(bǔ)償漏電流之差

• 在大的充電電壓和高溫時(shí)，壽命縮短得更快

較早一代兩節(jié)超級(jí)電容器充電器是為用 3.3V、3 節(jié) AA 或鋰離子/聚合物電池實(shí)現(xiàn)小電流充電而設(shè)計(jì)的，因?yàn)檫@些 IC 采用升壓型拓?fù)�。不過，超級(jí)電容器技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使市場(chǎng)擴(kuò)大了，產(chǎn)生了很多未必局限在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的中到較大電流的應(yīng)用。主要應(yīng)用包括固態(tài)盤驅(qū)動(dòng)器和海量存儲(chǔ)備份系統(tǒng)、工業(yè) PDA 和便利易用的終端等大電流便攜式電子設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄儀、儀表、醫(yī)療設(shè)備、以及各種“謹(jǐn)守最后一刻”的工業(yè)應(yīng)用 (例如: 保安設(shè)備和報(bào)警系統(tǒng))。其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品應(yīng)用包括那些具大功率突發(fā)的應(yīng)用，如相機(jī)中的 LED 閃光燈、PCMCIA 卡和 GPRS/GSM 收發(fā)器以及便攜式設(shè)備中的硬盤驅(qū)動(dòng)器 (HDD)。

超級(jí)電容器充電器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

超級(jí)電容器有很多優(yōu)點(diǎn)，不過，當(dāng)兩個(gè)或更多電容器串聯(lián)疊置時(shí)，就給設(shè)計(jì)師帶來了諸如容量平衡、充電時(shí)電容器過壓損壞、吸取過大電流、大占板面積/解決方案等問題。如果需要頻繁的大峰值功率突發(fā)，那么也許需要較大的充電電流。此外，很多充電電源也許是電流受限的，例如，在電池緩沖器應(yīng)用中或在 USB/PCCARD 環(huán)境中。就空間受限、較大功率的便攜式電子設(shè)備而言，應(yīng)對(duì)這些情況至關(guān)重要。

使串聯(lián)連接的超級(jí)電容器達(dá)到容量平衡，可確保每節(jié)電容器上的電壓近似相等，而超級(jí)電容器如果缺乏容量平衡，可能會(huì)導(dǎo)致過壓損壞。就小電流應(yīng)用而言，充電泵采用給每節(jié)電容器配一個(gè)平衡電阻器的外部電路，這是一種不算昂貴而又可解決這個(gè)問題的辦法。正如下面說明的那樣，平衡電阻器的值將主要取決于電容器的漏電流。為了限制平衡電阻器引起的漏電流對(duì)超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)的影響，設(shè)計(jì)師還可以選擇使用一個(gè)電流非常小的有源平衡電路。容量失配的另一個(gè)原因是漏電流不同。電容器的漏電流開始時(shí)相當(dāng)高，然后隨時(shí)間推移衰減到較低的值。但是如果串聯(lián)電容器之間的漏電流失配，那么電容器可能一開始再充電就會(huì)過壓，除非設(shè)計(jì)師選擇可在每個(gè)電容器上提供比電容器漏電流本身大得多的負(fù)載電流的平衡電阻器。平衡電阻器導(dǎo)致不必要的成份和永久性放電電流，加重了應(yīng)用電路的負(fù)擔(dān)。如果失配的電容器以大電流充電，它們也不為每節(jié)電容器提供過壓保護(hù)。

就中到較大功率應(yīng)用而言，另一個(gè)可解決超級(jí)電容器充電問題而且不算昂貴的方法是，采用一個(gè)電流受限的開關(guān)加分立器件和外部無源組件。采用這種方法時(shí)，電流受限的開關(guān)提供了充電電流和電流限制，同時(shí)電壓基準(zhǔn)和比較器 IC 提供電壓箝位，最后，具平衡電阻器的運(yùn)放 (吸收/供應(yīng)) 實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的容量平衡。然而，鎮(zhèn)流電阻器的值越低，靜態(tài)電流越高，電池運(yùn)行時(shí)間越短，顯然的好處是節(jié)省了費(fèi)用。不過，這種解決方案實(shí)現(xiàn)起來非常笨重，而且性能充其量也就是略微好一點(diǎn)。

上述滿足超級(jí)電容器充電器 IC 設(shè)計(jì)限制的任何解決方案都必須與一個(gè)大電流充電器相結(jié)合，以用于具自動(dòng)容量平衡和電壓箝位的兩節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器。因此，凌力爾特公司開發(fā)了一款面向中到大功率應(yīng)用的簡單但先進(jìn)的單片超級(jí)電容器充電器 IC，該 IC 無需電感器、無需平衡電阻器、有各種工作模式并具有低靜態(tài)電流。