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雙向超級(jí)電容器充電器集成了備份和平衡功能

時(shí)間：2015-12-14 17:27 來源：凌力爾特公司作者：Sam Nork,Steve Knoth,John Bazi

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。通過降低電容器的 Top-Off 電壓和避免高溫 (>50°C)，可以最大限度延長(zhǎng)超級(jí)電容器的壽命。參見圖 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。

圖 1：存儲(chǔ)組件的能量密度和功率密度

表 1：超級(jí)電容器與電容器及電池的比較

參數(shù)	超級(jí)電容器	電容器	電池
能量存儲(chǔ)	能量 (單位：瓦秒)	能量 (單位：瓦秒)	能量 (瓦時(shí))
充電方法	端子之間的電壓	端子之間的電壓	恒定電流和恒定電壓
所提供的功率	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(zhǎng)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 小時(shí)至 10 小時(shí)
外形尺寸	小型	小型至大型	小型到大型
重量	1g 至 2g	1g 至 10kg	1g 至 >10kg
能量密度	1 Wh/kg 至 5Wh/kg	0.01Wh/kg 至 0.05Wh/kg	8Wh/kg 至 600Wh/kg
工作電壓	每節(jié)電池 2.3V 至 2.75V	6V 至 800V	每節(jié)電池 1.2V 至 4.2V
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°C 至 +85°C	–20°C 至 +100°C	–20°C 至 +65°C

超級(jí)電容器與電池比較總結(jié)：

Ø電池：

•能量密度高

•合理的功率密度

•在低溫時(shí) ESR 高

Ø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°C 與 25°C 相比，提高約 2 倍)

Ø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)用中無電流反向保護(hù)

Ø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

Ø串聯(lián)超級(jí)電容器的潛在問題：

•SCAP 可能有容量失配問題

•SCAP 泄漏失配可能隨時(shí)間變化引起過壓?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 退化隨過壓和高溫而加速

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)電池過壓損壞、過大的電流消耗、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始時(shí)很大，然后隨著時(shí)間推移降至較低的值。不過，如果串聯(lián)電池之間的泄漏電流失配，那么電池一開始再充電就可能過壓，除非設(shè)計(jì)師用平衡電阻器消除泄漏電流。不過，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)。

超級(jí)電容器充電器 IC 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在開始設(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題是以下需求：

·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)用來給超級(jí)電容器充電，第二個(gè)用來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。

·高效率和大充電電流。高效率、大電流降壓-升壓型超級(jí)電容器充電器 / 平衡器能夠包括充分利用超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)所需的所有功能。而分立式解決方案，盡管可能，但是復(fù)雜、較大、效率較低、準(zhǔn)確度較低。

·高準(zhǔn)確度和負(fù)載均分能力。具 ±2% 準(zhǔn)確度的輸入電流限制和輸入負(fù)載均分使多個(gè)負(fù)載能夠以最小降額 / 裕度均分同一電源的全部供電能力。這樣的功能用分立式解決方案是無法實(shí)現(xiàn)的。

·主動(dòng)平衡。大多數(shù)超級(jí)電容器系統(tǒng)采用耗能 (電阻器) 平衡方法。主動(dòng)平衡在電容器之間來回高效運(yùn)送電荷，從而消除了功率損耗以及采用耗能方法所需的后續(xù)再充電周期。

本文所述解決這些問題的降壓-升壓型 IC 超級(jí)電容器充電解決方案需要具備以下所有性能特點(diǎn)：

•提供備份電源，并給超級(jí)電容器充電

•靈活性 ― 必須以升壓或降壓模式高效地工作

•能夠以可編程最高電容器電壓執(zhí)行主動(dòng)充電平衡

•提供大充電電流能力

•具備準(zhǔn)確的可編程平均輸入電流限制

•占板面積小的扁平解決方案

•擁有先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間利用效率

一種新型 IC 滿足所有需求

LTC3110 是一款雙向、輸入電流可編程降壓-升壓型超級(jí)電容器充電器，具備面向一或兩個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器的主動(dòng)充電平衡功能。其專有低噪聲降壓-升壓型拓?fù)淠軌蛲瓿蓛蓚€(gè)單獨(dú)的開關(guān)穩(wěn)壓器的工作，從而減小了解決方案尺寸、成本和復(fù)雜性。LTC3110 以兩種模式工作，備份和充電模式。在備份模式，該 IC 保持系統(tǒng)電壓 VSYS 為 1.71V 至 5.25V，由超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量供電。此外，超級(jí)電容器存儲(chǔ)輸入 VCAP 具備很寬的 5.5V 直至 0.5V 之實(shí)際工作范圍。這確保幾乎所有超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量都能得到利用，從而延長(zhǎng)了備份時(shí)間或者減小了存儲(chǔ)電容器尺寸。在充電模式，當(dāng)主電源系統(tǒng)有效時(shí)，LTC3110 可自主 (或通過用戶命令) 和無縫地調(diào)轉(zhuǎn)電源流動(dòng)方向，利用穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的充電和平衡。通過降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，VCAP 被高效充電至高于或低于 VSYS，該器件還具備充電模式平均輸入電流限制，該限制能夠以 ±2% 的準(zhǔn)確度設(shè)定為高達(dá) 2A，從而防止系統(tǒng)電源過載，同時(shí)最大限度縮短電容器再充電時(shí)間。參見圖 2 所示典型應(yīng)用電路。

圖 2：LTC3110 典型應(yīng)用電路

LTC3110 的主動(dòng)充電平衡消除了外部耗能鎮(zhèn)流電阻器的持續(xù)泄漏，從而甚至在電容器失配和再充電周期較不頻繁時(shí)，也可確保平衡地運(yùn)行和充電�？删幊套畲箅娙萜麟妷赫{(diào)節(jié)功能主動(dòng)地對(duì)串聯(lián)電容器組中每個(gè)電容器上的電壓進(jìn)行平衡，并將其限制到 1/2 設(shè)定值，從而確保隨電容器老化以及容量逐漸失配而可靠工作。RDS(ON) 很低、柵極電荷很少的同步開關(guān)提供高效率轉(zhuǎn)換，以最大限度縮短存儲(chǔ)組件的充電時(shí)間。因此，LTC3110 非常適合給備份電源應(yīng)用中的大型電容器安全地充電并提供保護(hù)，例如具電池 / 電容器備份的服務(wù)器和 RAID 系統(tǒng)以及 RF 系統(tǒng)。

LTC3110 的輸入電流限制和最高電容器電壓是電阻器可編程的。平均輸入電流在 0.125A 至 2A 設(shè)定范圍內(nèi)是準(zhǔn)確控制的。引腳可選突發(fā)模式 (Burst Mode) 工作提高了輕負(fù)載效率，將備用電流降至僅為 45µA，停機(jī)電流低于 1µA。LTC3110 的其他特點(diǎn)包括可最大限度減小外部組件尺寸的 1.2MHz 高開關(guān)頻率、熱過載保護(hù)、用于方向控制和充電終止的兩個(gè)電壓監(jiān)察器以及一個(gè)具集電極開路輸出、用于連接μC 或 µP 的通用比較器。LTC3110 采用緊湊的耐熱性能增強(qiáng)型 24 引線 4mm x 4mm QFN 和 TSSOP 封裝，兩種封裝版本都在 -40°C 至 +150°C 的 H 級(jí)工作溫度范圍內(nèi)工作。

總之，LTC3110 的主要特色是：

·VCAP 工作范圍：0.1V 至 5.5V

·VSYS 工作范圍：1.71V 至 5.25V

·從充電模式到備份模式自動(dòng)切換;

·范圍為 125mA 至 2A、準(zhǔn)確度為 ±2% 的可編程充電輸入電流限制

·±1% 備份電壓準(zhǔn)確度

·自動(dòng)電容器容量平衡

·以固定 1.2MHz 頻率切換

·突發(fā)模式工作：45μA IQ

·具集電極開路輸出的額外可編程多用途比較器

·集電極開路輸出指示工作方向和充電終止

·扁平 TSSOP-24 和 4mm x 4mm QFN-24 封裝

高效率充電

專有開關(guān)算法在工作模式之間提供無縫轉(zhuǎn)換，在所有工作區(qū)內(nèi)消除了平均電感器電流、電感器電流紋波以及環(huán)路傳輸函數(shù)的不連續(xù)性。與傳統(tǒng)的 4 開關(guān)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器相比，這些優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致效率提高、環(huán)路穩(wěn)定性增強(qiáng)以及 VSYS 電壓紋波減小。實(shí)現(xiàn)降壓-升壓型充電器的開關(guān)拓?fù)淙鐖D 3 所示。

圖 3：LTC3110 的降壓-升壓型充電器開關(guān)拓?fù)? /></center>
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圖 3：LTC3110 的降壓-升壓型充電器開關(guān)拓?fù)?/p>

兩個(gè)開關(guān) (C 和 D) 連接 SW2 至 VSYS，以在整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)提供高效率。LTC3110 有非常高的效率，幾乎達(dá)到 95%，如圖 4 中的曲線所示。

圖 4：LTC3110 效率隨 VOUT 特性的變化

結(jié)論

LTC3110 是一款雙向、平均輸入電流受到控制的降壓-升壓型 DC/DC 超級(jí)電容器充電器 / 穩(wěn)壓器，采用了專有開關(guān)算法，從而使其輸出能夠調(diào)節(jié)至高于、低于或等于輸入電壓。該器件由一個(gè)芯片組成，提供了緊湊、強(qiáng)大和靈活的解決方案。LTC3110 在通用封裝中集成了高效率超級(jí)電容器充電、備份調(diào)節(jié)以及容量平衡 / 保護(hù)功能，從而很容易適合多種系統(tǒng)配置。這顯著地簡(jiǎn)化了以前非常困難的設(shè)計(jì)任務(wù) 。