雙向超級電容器充電器集成了備份和平衡功能

摘要：本文介紹了超級電容器，并對超級電容器與電池進行比較，分析了電容器設計困境與挑戰。

1 背景信息

　　超級電容器 (又稱為 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、鉭或電解質電容器相比，超級電容器以類似的外形尺寸和重量提供更高的能量密度和更大的電容。隨著生產超級電容器的成本持續下降，同時市場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拓出一個日益增長且有利可圖的市場。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，在更寬的工作溫度范圍內提供更長的充電周期壽命。通過降低電容器的 Top-Off 電壓和避免高溫 (>50℃)，可以最大限度延長超級電容器的壽命。參見圖 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 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 (–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;

　　? 在保持應用中無電流反向保護。

2.4 串聯超級電容器優勢

　　? 允許更好地利用能量 E = 1/2 CV²;

　　? 簡化“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、工業溫度范圍。

2.5 串聯超級電容器的潛在問題

　　? SCAP 可能有容量失配問題;

　　? SCAP 泄漏失配可能隨時間變化引起過壓問題 ─ 電池需要持續平衡;

　　? SCAP 電容和 ESR 隨時間變化下降，而且不總是以同樣的速率下降;

　　? SCAP 退化隨過壓和高溫而加速。

3 超級電容器設計困境

　　超級電容器有很多優勢，然而在給串聯的能量存儲器件充電時，最終產品設計師可能要面對諸如電池容量平衡、充電時電池過壓損壞、過大的電流消耗、解決方案占板面積很大而空間利用率又至關重要等問題。

　　串聯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壓損壞。每節電池配備一個平衡電阻器的外部電路是解決容量不平衡問題的一種辦法。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。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平衡電路。另一個容量失配的原因是泄漏電流不同。電容器的泄漏電流開始時很大，然后隨著時間推移降至較低的值。不過，如果串聯電池之間的泄漏電流失配，那么電池一開始再充電就可能過壓，除非設計師用平衡電阻器消除泄漏電流。不過，平衡電阻器產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

　　在開始設計超級電容器充電方案時，設計師必須考慮的一些更棘手的問題是以下需求：

　　(1)備份能力。超級存儲電容器最終要提供存儲的能量，以在主電源軌萬一出故障時提供備份。因此，通常需要兩個單獨的電源轉換器：第一個用來給超級電容器充電，第二個用來保持主電源軌吸取超級電容器中存儲的能量。用單個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，檢測主電源何時缺失，并在備份和充電模式之間無縫轉換，同時還要具備很寬的工作范圍，以確保利用所有可用備份能量。