對于今天的大多數(shù)設(shè)計團(tuán)隊來說，從事空間受限的電池供電的消費(fèi)電子產(chǎn)品開發(fā)工作將成為最具挑戰(zhàn)性的產(chǎn)品。除了能夠在給定的機(jī)箱尺寸內(nèi)實現(xiàn)所需的功能之外，最重要的考慮因素之一是可用的功率預(yù)算?？捎糜谒须娮釉O(shè)備的空間(例如處理器，無線連接和顯示器/UI)之間的平衡行為需要與電池的空間相對應(yīng)。

對于某些應(yīng)用，例如與具有相機(jī)閃光功能的智能手機(jī)中的相比，峰值功率負(fù)載明顯高于任何其他用例，盡管是短暫的。面臨這種挑戰(zhàn)的工程師可能會考慮使用超級電容器(也稱為雙電層電容器(EDLC))作為滿足峰值負(fù)載要求的方法。超級電容器能夠存儲比方便的電解電容器多100倍的電容，通?？梢蕴峁└哌_(dá)4安培的電流，持續(xù)40毫秒。這種EDLC也是提供備用電源以適應(yīng)應(yīng)用主電源瞬間中斷的理想選擇。用于固態(tài)磁盤驅(qū)動器的備用電源，內(nèi)存?zhèn)浞?，實時時鐘備用電源以及用作能量收集設(shè)備的能量存儲器都是使用EDLC的候選電源。

EDLC，與陶瓷或電解電容器不同，不要使用介電層。取而代之的是兩個電極之間的電解質(zhì)，無論是固體還是凝膠狀物質(zhì)(圖1)。這種結(jié)構(gòu)的所得電容與電極的表面積成比例，并且通過使用沉積在鋁箔上的動力活性炭作為電極，提供相當(dāng)高的電容值。進(jìn)出電極表面的離子吸收過程會產(chǎn)生EDLC的充電和放電。

圖1：構(gòu)建超級電容器 - EDLC

EDLC的構(gòu)造往往因制造商而異，每個都具有略微不同的特征。例如，Murata及其DMT/DMF系列(圖2)采用鋁質(zhì)層壓薄膜包裝，兩側(cè)涂有絕緣塑料層?；钚蕴侩姌O和電解質(zhì)的夾層構(gòu)成多層包裝，并且每個片材通過分離器機(jī)械地和電氣地分離。而且，兩個電容器形成在單個“袋”封裝內(nèi)，并且除了外部電極之外還與連接到中點(diǎn)的引線串聯(lián)連接。 Murata產(chǎn)品的一個例子是DMT334R2S47，一個470 mF超級電容器，額定工作電壓為4.2 VDC。 TDK采用類似的方法，其EDLC252520系列，例如EDLC252520-351-2F-21,350 mF，工作電壓為3.2 VDC。

圖2：Murata EDLC封裝示例

相比之下，松下與其Gold系列EDLC采用了幾種具有不同特性的結(jié)構(gòu)形式。紐扣電池格式用于存儲器備份應(yīng)用和太陽能電池的輔助電源，多層堆疊紐扣電池布置用于工業(yè)和汽車存儲器備份應(yīng)用，并且使用更熟悉的圓柱形封裝，具有相對低的ESR，用于更高電流的應(yīng)用，如玩具。一個例子是EEC-S0HD334V，一個330 mF 5.5 VDC工作電壓部件。

為了更好地了解EDLC的行為和操作，有必要考慮其等效電路模型。從簡單的第一眼看，模型如圖3所示。

圖3：EDLC的簡單等效電路模型

請注意，EDLC中兩個電容器單元的組合創(chuàng)建了一個進(jìn)一步簡化的模型。等效電容為一半，有效串聯(lián)電阻(ESR)加倍。然而，該模型沒有考慮活性炭電極的實際行為。由于其沉積導(dǎo)致表面上不同深度的層或孔，離子的移動變化。結(jié)果是離子可以快速移動到表面上的活性炭，但是更深層次的離子需要更長時間。表面快速接受電荷，但較深的層需要更長的時間才能完全充電。為了在等效電路模型中考慮到這一點(diǎn)，更精確的表示 - 見圖4 - 包含多個并聯(lián)電容和串聯(lián)電阻。

圖4：EDLC的詳細(xì)等效電路模型

通常，大多數(shù)超級電容器EDLC器件制造商提供的電容值范圍從幾百毫法拉到幾法拉，工作電壓通常高達(dá)5.5 VDC 。雖然它們的電容值和它們的能量存儲能力很高，但它們的物理尺寸往往相對較薄。例如，Murata DMF-4B5R5G 1 F，5.5 WVDC部件尺寸僅為1.181 x 0.515 x 0.146英寸(30.00 x 14.00 x 3.70 mm)。

與鉭或鋁電容器相比，EDLC可提供100多個倍于儲能能力。例如，1.5 F 6.3 V鉭電容可提供高達(dá)20 mJ的存儲能量，而470 mF 4.2 V EDLC可存儲2,000 mJ的能量?？紤]到鉭電容器在發(fā)生短路時會引起火災(zāi)，它們的費(fèi)用和鋁的大尺寸以及有限的壽命周期，EDLC成為提供高峰值負(fù)載或備用電源應(yīng)用的理想選擇。通常可以提供10瓦特，有些則可以提供高達(dá)100瓦的輸出功率。此外，與使用鋰紐扣電池代替EDLC相比，鋰電池只能提供非常低的功率。

為EDLC充電通常只需幾分鐘，取決于有效電阻設(shè)備(圖5)。由于EDLC具有很少的內(nèi)部電阻，因此通常不需要任何外部限流電阻。

圖5：EDLC充電之間的關(guān)系 - 內(nèi)阻和時間

圖6顯示了基于恒流放電的EDLC放電周期的一般模型。

圖圖6：EDLC恒流放電的典型放電曲線

圖7說明了Murata DMF系列EDLC的這種情況。由于內(nèi)部ESR，在放電時存在初始電壓降，當(dāng)出現(xiàn)較大的電流條件時，電壓降較大。然后EDLC的電壓開始隨時間下降。這種下降的速度取決于消耗的電流和標(biāo)稱電容值。在恒定功率放電的情況下，電壓和時間之間的關(guān)系不是線性的，并且基于放電功率(P)，標(biāo)稱電容(C)和瞬時電壓電平V形成更多曲線，由dv/dt = P/CV。

圖7：Murata DMF EDLC的放電曲線

如前所述，有一些用于EDLC的理想用例。

圖8顯示了使用EDLC作為平衡電池設(shè)計中負(fù)載峰值的方法。提供額外的電力來補(bǔ)充電池電源輸出，當(dāng)負(fù)載需求超過單獨(dú)的電池能夠提供時，組合電源滿足應(yīng)用需求。

圖8：高峰負(fù)載均衡

在本文簡介中提到的用例場景中，提供EDLC以提供圖9中示出了高峰值功率能力。這樣的峰值負(fù)載可以是智能電話上的相機(jī)閃光功能或者適應(yīng)電機(jī)啟動峰值負(fù)載。通過使用EDLC代替使用更高額定電池的這些功能，設(shè)計工程師可以降低整體BOM成本并將所需空間降至最低。這在當(dāng)今空間受限的消費(fèi)電子設(shè)備中尤為重要。

圖9：高峰功率功能

EDLC也可以用于存儲電源不頻繁但仍存在穩(wěn)定負(fù)載條件的能量。參見圖10.使用能量收集代替電池并且沒有其他可靠電源可用的概念吸引了那些開發(fā)用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的傳感器應(yīng)用。從多個(如太陽能電池和振動采集器)收集的能量可以很容易地存儲在EDLC中，以便為無線傳感器應(yīng)用提供可靠的電源。

圖10：能量收集應(yīng)用的能量存儲

最終用例是為內(nèi)存應(yīng)用提供臨時備用電源，如固態(tài)驅(qū)動器(SSD)，如圖11所示SSD的電源中斷是一個關(guān)鍵事件。由于依賴于高速緩沖存儲器，如果電源突然失效，任何未決的磁盤/高速緩存寫入很可能會丟失，因為不會發(fā)生正確的待機(jī)/關(guān)閉過程。為了防止數(shù)據(jù)丟失和可能損壞的磁盤分區(qū)，可以使用EDLC確保關(guān)閉和/或緩存寫入過程可以無錯誤地發(fā)生。

圖11：固態(tài)驅(qū)動器的備用電源

EDLC越來越受設(shè)計工程師的青睞，如電池和大電容器替代品。能夠提供高能量，占用很小的電路板空間并具有良好的可靠性和老化特性，EDLC將非常受歡迎。