雙向超級電容器充電器集成了備份和平衡功能
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摘要：本文介紹了超級電容器，并對超級電容器與電池進(jìn)行比較，分析了電容器設計困境與挑戰。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/281892.htm1 背景信息
超級電容器 (又稱(chēng)為 SCAP、雙層電容器等) 不僅僅是電容非常大的電容器。與標準陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級電容器以類(lèi)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(zhù)生產(chǎn)超級電容器的成本持續下降，同時(shí)市場(chǎng)逐步了解超級電容器的功能，超級電容器正在傳統電容器和電池之間開(kāi)拓出一個(gè)日益增長(cháng)且有利可圖的市場(chǎng)。此外，盡管對待超級電容器需要某種程度上的“小心維護”，但是在那些要求高電流 / 短持續時(shí)間后備供電的數據存儲應用中，它們可為電池起到增補作用 (作為一種可降低主電源所承受之應力從而延長(cháng)其壽命的互補電源)，甚至取代電池。再者，超級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用中，例如 UPS (不間斷電源) 系統。與電池相比，超級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提供更長(cháng)的充電周期壽命。通過(guò)降低電容器的 Top-Off 電壓和避免高溫 (>50℃)，可以最大限度延長(cháng)超級電容器的壽命。參見(jiàn)圖 1 和表 1 以了解超級電容器的能量密度以及與其他形式電源的比較。
2 超級電容器與電池比較總結
2.1 電池
? 能量密度高;
? 合理的功率密度;
? 在低溫時(shí) ESR 高。
2.2 超級電容器
? 合理的能量密度;
? 功率密度高;
? 低 ESR-甚至在低溫時(shí) (–20℃與 25℃ 相比，提高約 2 倍)。
2.3 超級電容器限制
? 最高終止電壓限制到 2.5V 或 2.75V;
? 插入浪涌電流太大;
? 在保持應用中無(wú)電流反向保護。
2.4 串聯(lián)超級電容器優(yōu)勢
? 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。
2.5 串聯(lián)超級電容器的潛在問(wèn)題
? SCAP 可能有容量失配問(wèn)題;
? SCAP 泄漏失配可能隨時(shí)間變化引起過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題 ─ 電池需要持續平衡;
? 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(guò)壓和高溫而加速。
3 超級電容器設計困境
超級電容器有很多優(yōu)勢，然而在給串聯(lián)的能量存儲器件充電時(shí)，最終產(chǎn)品設計師可能要面對諸如電池容量平衡、充電時(shí)電池過(guò)壓損壞、過(guò)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(wèn)題。
串聯(lián)電容器的容量平衡確保每節電池上的電壓大致相當。超級電容器的容量不平衡可能導致過(guò)壓損壞。每節電池配備一個(gè)平衡電阻器的外部電路是解決容量不平衡問(wèn)題的一種辦法。平衡電阻器的值將取決于超級電容器的工作溫度及其充電 / 放電曲線(xiàn)。為了限制平衡電阻器引起的電流泄漏對超級電容器能量存儲的影響，設計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(kāi)始時(shí)很大，然后隨著(zhù)時(shí)間推移降至較低的值。不過(guò)，如果串聯(lián)電池之間的泄漏電流失配，那么電池一開(kāi)始再充電就可能過(guò)壓，除非設計師用平衡電阻器消除泄漏電流。不過(guò)，平衡電阻器產(chǎn)生不想要的組件和負載電流，加重了應用電路負擔。
4 超級電容器充電器IC設計挑戰
在開(kāi)始設計超級電容器充電方案時(shí)，設計師必須考慮的一些更棘手的問(wèn)題是以下需求：
(1)備份能力。超級存儲電容器最終要提供存儲的能量，以在主電源軌萬(wàn)一出故障時(shí)提供備份。因此，通常需要兩個(gè)單獨的電源轉換器：第一個(gè)用來(lái)給超級電容器充電，第二個(gè)用來(lái)保持主電源軌吸取超級電容器中存儲的能量。用單個(gè)轉換器提供這兩種功能是最理想的，但是，轉換器必須雙向工作，檢測主電源何時(shí)缺失，并在備份和充電模式之間無(wú)縫轉換，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。
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