2A超級電容器充電器平衡和保護便攜式應用中的超級

背景

超級電容器在傳統電容器和電池之間開(kāi)拓了一個(gè)縫隙市場(chǎng)。它們正在取代數據存儲應用中的電池，這類(lèi)應用需要大電流/持續時(shí)間短的備份電源，超級電容器也正用于各種高峰值功率應用，而這類(lèi)應用需要大的電流突發(fā)或補充性電池備份。與電池相比，超級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有更長(cháng)的充電周期壽命且具有更低的 ESR。與標準陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級電容器的外形尺寸和重量與其類(lèi)似，但提供更高的能量密度。通過(guò)降低超級電容器的 Top-Off 電壓，并避免高溫 (>50°C)，可最大限度地延長(cháng)電容器的壽命。

表 1：超級電容器、普通電容器及電池的比較

小結 － 超級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)

• 超級電容器的限制：

• 每節最大值限制為 2.5V 或 2.75V

• 在疊置式應用中必須補償漏電流之差

• 在大的充電電壓和高溫時(shí)，壽命縮短得更快

較早一代兩節超級電容器充電器是為用 3.3V、3 節 AA 或鋰離子/聚合物電池實(shí)現小電流充電而設計的，因為這些 IC 采用升壓型拓撲。不過(guò)，超級電容器技術(shù)的改進(jìn)已經(jīng)使市場(chǎng)擴大了，產(chǎn)生了很多未必局限在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域的中到較大電流的應用。主要應用包括固態(tài)盤(pán)驅動(dòng)器和海量存儲備份系統、工業(yè) PDA 和便利易用的終端等大電流便攜式電子設備、數據記錄儀、儀表、醫療設備、以及各種“謹守最后一刻”的工業(yè)應用 (例如: 保安設備和報警系統)。其他消費類(lèi)電子產(chǎn)品應用包括那些具大功率突發(fā)的應用，如相機中的 LED 閃光燈、PCMCIA 卡和 GPRS/GSM 收發(fā)器以及便攜式設備中的硬盤(pán)驅動(dòng)器 (HDD)。

超級電容器充電器的設計挑戰

超級電容器有很多優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)，當兩個(gè)或更多電容器串聯(lián)疊置時(shí)，就給設計師帶來(lái)了諸如容量平衡、充電時(shí)電容器過(guò)壓損壞、吸取過(guò)大電流、大占板面積/解決方案等問(wèn)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備而言，應對這些情況至關(guān)重要。

使串聯(lián)連接的超級電容器達到容量平衡，可確保每節電容器上的電壓近似相等，而超級電容器如果缺乏容量平衡，可能會(huì )導致過(guò)壓損壞。就小電流應用而言，充電泵采用給每節電容器配一個(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(wèn)題的辦法。正如下面說(shuō)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超級電容器能量存儲的影響，設計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(kāi)始時(shí)相當高，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(kāi)始再充電就會(huì )過(guò)壓，除非設計師選擇可在每個(gè)電容器上提供比電容器漏電流本身大得多的負載電流的平衡電阻器。平衡電阻器導致不必要的成份和永久性放電電流，加重了應用電路的負擔。如果失配的電容器以大電流充電，它們也不為每節電容器提供過(guò)壓保護。

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

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