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拓了一個縫隙市場。它們正在取代數據存儲應用中的電池，這類應用需要大電流/持續時間短的備份電源，超級電容器也正用于各種高峰值功率應用，而這類應用需要大的電流突發或補充性電池備份。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的充電周期壽命且具有更低的 ESR。與標準陶瓷、鉭或電解質電容器相比，超級電容器的外形尺寸和重量與其類似，但提供更高的能量密度。通過降低超級電容器的 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

• 在低溫時具有大的等效串聯電阻 (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)

(從 -20°C 增至 25°C 時約提高 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，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/聚合物電池實現小電流充電而設計的，因為這些 IC 采用升壓型拓撲。不過，超級電容器技術的改進已經使市場擴大了，產生了很多未必局限在消費電子產品領域的中到較大電流的應用。主要應用包括固態盤驅動器和海量存儲備份系統、工業 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”的工業應用 (例如: 保安設備和報警系統)。其他消費類電子產品應用包括那些具大功率突發的應用，如相機中的 LED 閃光燈、PCMCIA 卡和 GPRS/GSM 收發器以及便攜式設備中的硬盤驅動器 (HDD)。

超級電容器充電器的設計挑戰

超級電容器有很多優點，不過，當兩個或更多電容器串聯疊置時，就給設計師帶來了諸如容量平衡、充電時電容器過壓損壞、吸取過大電流、大占板面積/解決方案等問題。如果需要頻繁的大峰值功率突發，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，應對這些情況至關重要。

使串聯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，可能會導致過壓損壞。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問題的辦法。正如下面說明的那樣，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電流非常小的有源平衡電路。容量失配的另一個原因是漏電流不同。電容器的漏電流開始時相當高，然后隨時間推移衰減到較低的值。但是如果串聯電容器之間的漏電流失配，那么電容器可能一開始再充電就會過壓，除非設計師選擇可在每個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壓保護。

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

上述滿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大電流充電器相結合，以用于具自動容量平衡和電壓箝位的兩節串聯超級電容器。因此，凌力爾特公司開發了一款面向中到大功率應用的簡單但先進的單片超級電容器充電器 IC，該 IC 無需電感器、無需平衡電阻器、有各種工作模式并具有低靜態電流。