2A超級電容器充電器平衡和保護便攜式應用中的超級
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電壓箝位電路
LTC4425 配備的電路可將超級電容器組中兩個(gè)超級電容器兩端的電壓限制到最高可允許電壓 VCLAMP。有兩個(gè)通過(guò) SEL 引腳可選的 VCLAMP 預置電壓：2.45V 或 2.7V。就較低的 2.45V VCLAMP 電壓而言，SEL 引腳應該設定為邏輯低電平，而對于較高的 2.7V VCLAMP 電壓，該引腳則應設為邏輯高電平。如果底端電容器兩端的電壓 (即 VMID 引腳電壓) 先達到了 VCLAMP，那么 NMOS 并聯(lián)晶體管就接通，并開(kāi)始從底端的電容器向地泄放電荷。類(lèi)似地，如果頂端電容器兩端的電壓 (VTOP) 先達到 VCLAMP，那么 PMOS 并聯(lián)晶體管就接通，并開(kāi)始從頂端的電容器向底端的電容器泄放電荷。
當任一超級電容器兩端的電壓達到與 VCLAMP 相差 50mV 以?xún)葧r(shí)，互導放大器就開(kāi)始線(xiàn)性地降低充電電流。到任一并聯(lián)器件接通時(shí)，充電電流降至設定值的 1/10，而且只要該并聯(lián)器件接通，就保持這個(gè)值不變。這是為了防止并聯(lián)器件被過(guò)大的熱量損壞?？刂撇⒙?lián)器件的比較器有 50mV 的遲滯，這意味著(zhù)，當任一電容器兩端的電壓降低 50mV 時(shí)，并聯(lián)器件斷開(kāi)，并以滿(mǎn)充電電流恢復正常充電，除非受到另一個(gè)控制充電器 FET 柵極放大器的限制。如果兩個(gè)電容器都超過(guò)它們的最大可允許電壓 VCLAMP，那么主充電器 FET 完全關(guān)斷，而且兩個(gè)并聯(lián)器件都接通。兩個(gè)并聯(lián)器件實(shí)際上是電流反射鏡，保證分走比通過(guò)充電器 FET 的電流更大的電流。
漏電流平衡電路
LTC4425 還配備了一個(gè)內部漏電流平衡放大器 (LBA)，該放大器使中點(diǎn) (即 VMID 引腳) 電壓準確地等于輸出電壓 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供應和吸收能力，它被設計成用來(lái)處理由漏電流引起的超級電容器的輕微失配，而不是用來(lái)糾正由缺陷引起的任何嚴重失配。只要有輸入電壓存在，平衡器就工作。有了該內部平衡器，就無(wú)需外部平衡電阻器了。
表 2 比較了凌力爾特超級電容器充電器系列的器件。
表 2：凌力爾特超級電容器充電器比較
制造商 | 凌力爾特 | 凌力爾特 |
型號 | LTC4425 | LTC3225/-1 |
拓撲 | 線(xiàn)性充電器 W/50mΩ 理想二極管 | 充電泵 |
輸入電壓范圍 | 2.7V 至 5.5V | 2.8V 至 5.5V |
最大充電電流 | 150mA | |
Iq | 20uA | 20uA |
超級電容器每節電壓 穩定/限制 | 每節2.45V/2.7V (最高 Top-Off 電壓 4.9V/5.4V) | LTC3225-1： 每節 2V/2.25V (最高 Top-Off 電壓 4V/4.5V) LTC3225： 每節 2.4V/2.65V (最高 Top-Off 電壓 4.8V/5.3V) |
最大超級電容器值 | 無(wú)限制 | 無(wú)限制 |
自動(dòng)容量平衡 | 有 | 有 |
LDO 模式 | 有，調節可編程 Vout | 無(wú) |
通常模式 | 將電容器電壓充電至 Vin，如果必要，將其箝位到 4.9V/5.4V | 調節到固定的電容器電壓 |
Vin 功率下降指示器 | /PFO 引腳 | 無(wú) |
Vout 電流監視 | PROG 引腳 | 無(wú) |
PGood | /PFO 引腳 | 有 |
電流限制， 熱量限制， 熱量 SD， 反向電流 | 電流限制， 熱量限制 反向電流 | |
最少的外部組件數 | 兩個(gè) (Cin、Rprog) | 3 個(gè) (Cin、Cfly、Rprog) |
封裝 | 3 x 3 DFN-12、 MSOP-12 | 2 x 3 DFN-10 |
結論
目前，超級電容器正用于一度由電池主導的應用中。最初的應用是小電流，不過(guò)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，超級電容器現在已經(jīng)用于消費類(lèi)和非消費類(lèi)市場(chǎng)上多種中到大功率的應用。超級電容器與電池相比有很多固有的優(yōu)點(diǎn)，如可提供較高的峰值功率、較長(cháng)的周期壽命以及較小的外形尺寸。不過(guò)，采用超級電容器的產(chǎn)品設計師面臨很多問(wèn)題，如需要容量平衡以及潛在的超級電容器過(guò)壓損壞。凌力爾特公司通過(guò)擴充創(chuàng )新的超級電容器充電器 IC 系列，已經(jīng)滿(mǎn)足了這些以及其他一些需求。LTC4425 是一款 2A 線(xiàn)性充電器，該器件具自動(dòng)容量平衡、電壓箝位、各種工作模式以及小電流消耗。要構成一個(gè)可比較的解決方案，至少需要 4 個(gè) IC (一個(gè)電流受限的開(kāi)關(guān)用于電流限制、一個(gè)運放和電阻值很大的平衡電阻器用于低 Iq 自動(dòng)容量平衡以及一個(gè)電壓基準和比較器 IC 用于調節和限制超級電容器電壓) 和一些無(wú)源分立組件。LTC4425 具有小占板面積，有很多有用的功能，從而減小了總的解決方案尺寸，反過(guò)來(lái)又實(shí)現了更緊湊、更簡(jiǎn)單的設計。
圖 2：LTC4425 方框圖
BANDGAP REFERENCE：帶隙基準
IDEAL DIODE CONTROLLER：理想二極管控制器
CHARGE CURRENT PROFILE GENERATOR：充電電流曲線(xiàn)發(fā)生器
CHARGE CURRENT：充電電流
CONSTANT-VOLTAGE/CONSTATN-CURRENT/CONSTANT-TEMPERATURE CHARGER CIRCUITRY：恒定電壓/恒定電流/恒定溫度充電器電路
VOLTAGE CLAMP CIRCUITRY：電壓箝位電路
LEAKAGE BALLANCER：漏電流平衡器
COMPARATOR：比較器
PGOOD COMPARATOR：PGOOD 比較器
OSCILLATOR：振蕩器
TIMER：定時(shí)器
CHARGER ENABLE：充電器使能
Li-Ion：鋰離子電池
FROM：來(lái)自
TO HIGH PEAK POWER LOAD：至大峰值功率負載
超級電容器相關(guān)文章:超級電容器原理
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