钜大LARGE | 点击量：919次 | 2021年05月12日
就备份应用而言，超级电容器可能是优于锂电池的选择
背景超级电容器一直用于常规电容器和电池之间的专门市场，随着更多新应用的发现，这一专门市场也在不断上升。在数据存储应用中，超级电容器正在取代电池，这类应用由于突然断接问题，要中到大电流/短持续时间的备份电源和电池备份。具体应用包括3.3V内存备份固态硬盘(SSD)、电池供电的便携式工业和医疗设备、工业警报器以及智能功率计。
与电池相比，超级电容器能供应更大的峰值功率，具有更小的外形尺寸，在更宽的工作温度范围内具有更长的充电周期寿命，还具有更低的等效串联电阻(ESR)，可供应更高的功率密度。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比，超级电容器以类似的外形尺寸和重量，供应更高的能量密度。通过降低超级电容器的Top-Off电压，并避开高温(>50°C)，可以最大限度地延长超级电容器的寿命。下表1比较了超级电容器、电容器和电池的关键特点。
表1：超级电容器、电容器和电池的比较
总结：超级电容器与电池的比较•电池：•高能量密度•中等的功率密度•温度较低时具很高的ESR
•超级电容器：•中等的能量密度•高的功率密度•低ESR──即使在低温情况(-20°C与25°C相比，约增大2倍)
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
•超级电容器的限制：•每节的最高电压限制为2.5V或2.75V•在叠置应用中，必须补偿漏电流之差•在高充电电压和高温时，寿命迅速缩短
较早一代的两节超级电容器充电器设计是为用于从3.3V、3xAA或锂离子/聚合物电池以低电流充电。然而，超级电容器技术的改进使市场得以扩大，因此出现了中到大电流应用机会，这类应用未必限定在消费类产品领域内。重要应用包括固态硬盘和海量存储备份系统、工业用pDA和手持式终端等便携式大电流电子设备、数据记录仪、仪表、医疗设备以及各种各样濒临电源崩溃的工业应用(例如安全设备和警报系统)。其他消费类应用包括那些具大功率突发的应用，例如相机中的LED闪光灯、pCMCIA卡和GpRS/GSM收发器、以及便携式设备中的硬盘驱动器(HDD)。
超级电容器的设计挑战超级电容器有很多优点，不过，当两个或更多电容器串联叠置使用时，就给设计师带来了各种问题，例如容量平衡、充电时电容过压损坏、过度吸取电流、以及大的解决方法占板面积。假如频繁要大的突发峰值功率，那么也许要较大的充电电流。此外，很多充电电源可能是电流受限的，例如，在电池缓冲器应用或在USB/pCCARD环境中。就空间受限和较大功率的便携式电子设备而言，能够解决这些问题是至关重要的。
通过IC的反向传导一般会引起灾难性事件。诸如串联整流二极管等外部解决办法效率不是很高，因为压降很大。肖特基二极管的正向压降较小，因此可实现较高的系统效率，但是比常规二极管昂贵。另一方面，场效应管(FET)供应了低导通电阻和极低的损耗。内部的FET控制电源通路(powerpath™)电路是解决这个问题的好办法，可防止可能导致损坏的结果。倘若输入突然降至低于输出，那么凭借电源通路控制，这类IC的控制器可以快速彻底地断开内部FET，以防止发生从输出返回到输入电源的反向传导。
容量平衡的串联超级电容器可确保每节电容上的电压都大约相等，而假如超级电容器中容量不平衡，就可能导致过压损坏。就小电流应用而言，具外部电路以及为每节电容器供应一个平衡电阻器的充电泵是解决这个问题的低成本方法，平衡电阻器的值重要取决于电容器的漏电流，原因如后面所述。为了限制平衡电阻器引起的漏电流对超级电容器能量存储的影响，设计师可以选择使用电流很低的有源平衡电路。容量失配的另一个来源是漏电流之差。电容器中的漏电流开始时相当大，然后随着时间推移衰减到较小的值。不过，假如串联电容器的漏电流之间是失配的，那么某些电容器再充电时可能会过压，除非设计师选择的平衡电阻器能在每节电容器上供应比电容器漏电流大得多的负载电流。不过，平衡电阻器引入了不想要的电流分量和永久性的放电电流，这给应用电路新增了负担。假如以大电流对失配的电容器充电，那么平衡电阻器也不对各节电容器供应过压保护。
就小到中功率应用而言，解决超级电容器充电问题的另一种低成本(但复杂的)方法是使用一个限流开关加上一些分立式组件和一些外部无源组件。在这种方法中，限流开关供应充电电流和限制，而电压基准和比较器IC则供应电压箝位，最后，一个运算放大器(吸收/供应)和平衡电阻器实现超级电容器的容量平衡。然而，镇流电阻器的值越小，静态电流就越大，电池运行时间就越短；当然，其显而易见的好处是节省了成本。不过，这种方法实现起来非常笨重，而且性能不高。
任何可高效地满足上述小到中电流超级电容器充电器IC设计限制的解决方法都会包括一个面向两节串联超级电容器和基于充电泵的充电器以及自动容量平衡和电压箝位。凌力尔特已经为这类应用开发出了一个简单但顶端的单片超级电容器充电器IC，该IC不要电感器，也不要平衡电阻器，供应了反向隔离，并有多种工作模式，而且静态电流还很低。
一种简单的解决方法LTC3226是凌力尔特两节超级电容器充电器系列的最新产品。该器件是一款无电感器的超级电容器充电器，具有备份的电源通路控制器，适用于在要短时间备份电源的应用中使用的锂离子或其他低压系统轨。该器件具恒定输入电流，采用低噪声双模式(1x/2x)充电泵架构，用2.5V至5.5V的输入电源给两节串联的超级电容器充电，并充电至2.5V至5.3V的可编程电容器充电电压。充电器的输入电流可用电阻器编程，高达315mA。该器件的自动容量平衡和电压箝位功能可保持两节电池上的电压相等，因而无需平衡电阻器。这保护了每节超级电容器免受过压损坏(否则电容或漏电流失配可能引起这种过压损坏)，同时最大限度地降低了电容器上的漏电流。
LTC3226有两种工作模式：正常模式和备份模式。工作模式由可编程电源故障(pFI)比较器决定。在正常模式中(pFI为高电平)，功率通过一个低损耗外部FET理想二极管从VIN输送至VOUT，而且充电泵保持接通状态以对超级电容器组进行Top-off充电。在备份模式(pFI为低电平)，充电泵关断，内部LDO接通，以用超级电容器存储的电荷供应VOUT负载电流，同时外部理想二极管防止反向电流流进VIN。超级电容器通过内部LDO供应的备份电流可高达2A。
当输出电压处于稳定状态时，LTC3226用非常低的55uA静态电流工作。该IC采用纤巧的3mmx3mmQFN封装，基本充电电路要很少的外部组件，占用空间也很小。该器件的900kHz高工作频率可减小外部组件尺寸。内部限流和热停机电路允许该器件承受从pROG、VOUT或CpO引脚到地的持续短路而不受损坏。其他特点包括CAppGOOD和VINpFO(电源故障)输出以及用于系统内务处理的VOUTRST输出。
LTC3226采用紧凑的16引线、扁平(0.75mm)3mmx3mmQFN封装，在-40C至125C的温度范围内工作。
图1：LTC3226的方框图/应用
要构成一个可与LTC3226相比的解决方法，要非常复杂地组合多个IC：一个用于超级电容器充电的降压/升压型稳压器、一个用于备份电源通路的2ALDO、一个4通道比较器以及用于外部理想二极管加监视功能的背对背FET，还有一个运算放大器和各种不同的分立式组件，以实现保护性分流和小电流平衡。另外，用户还可以选择一种低价方法，该方法仅对超级电容器充电，并供应备份控制(不用两个比较器和运算放大器)，不过这种方法没有充电电流限制、小电流平衡、电容器保护或电压监视功能。与更加昂贵的分立式解决方法相比，这种廉价方法可以用不那么昂贵的低值电阻器取代比较昂贵的高值电阻器和运算放大器的组合，但这种低值电阻器消耗大量静态电流，而且没有为超级电容器供应过压保护(箝位)。
电源通路控制和理想二极管LTC3226含有一个理想二极管控制器，该控制器通过GATE引脚控制输入VIN和输出VOUT之间连接的外部pFET的栅极。参见图2以了解详细信息。在正常工作条件下，这个外部FET构成了从输入到输出的主电源通路。就非常轻的负载而言，该控制器在输入和输出电压之间的FET上保持了15mV的增量。倘若VIN突然降至低于VOUT，那么该控制器就快速彻底关断FET，以防止从VOUT返回输入电源的任何反向传导。
图2：LTC3226的方框图
工作模式LTC3226有两种工作模式：正常模式和备份模式。假如VIN高于外部可编程的pFI门限电压，那么该器件就处于正常模式，在这种模式时，功率通过外部FET从VIN流到VOUT，且内部充电泵保持接通，直至达到超级电容器组的Top-Off电压为止。假如VIN低于该pFI门限，那么该器件就处于备份模式。在这种模式时，内部充电泵关断，外部FET关断，但LDO接通，以用存储的电荷供应负载电流。参见图3以了解详细信息。
图3：LTC3226从正常模式切换到备份模式时的瞬态波形
电压箝位电路LTC3226充电泵配备了用于将任意超级电容器两端的电压限制为一个2.65V的最大可容许预设电压的电路。假如顶部电容器两端的电压(VMID-VCpO)在CpO引脚达到目标电压之前达到了2.65V，那么充电泵就通过CpO引脚停止对电容器组中顶部电容器充电，切换到1x模式，并通过VMID引脚直接向底部的电容器供应电荷，直至电容器组的电压达到设定值为止。假如底部电容器两端的电压在电容器组达到目标值之前达到2.65V，那么充电泵就通过CpO引脚继续向电容器组中顶部的电容器供应电荷，而且并联稳压器接通，以泄放底部电容器的电荷，防止VMID引脚电压进一步上升。并联稳压器能对约为315mA(在1x模式)的最大可允许充电电流分流。倘若两个电容器都超过了2.65V，那么充电泵就关断大多数电路，进入休眠模式。
漏电流平衡电路LTC3226备有一个内部漏电平衡放大器，该放大器将VMID引脚电压维持在刚好等于CpO引脚电压一半的数值上。不过，该放大器的供应电流(约为4.5mA)和吸收电流(约为5.5mA)能力有限。这个放大器用来应对由漏电流引起的超级电容器的微小失配，由于有缺陷，因此不用来矫正大的失配。只要输入电源电压高于pFI门限，平衡器就工作。该内部平衡器无需外部平衡电阻器。
表2显示了对凌力尔特超级电容器充电器系列各款器件的比较。
表2：凌力尔特超级电容器充电器的比较
结论目前，超级电容器正用于电池一度是标准配置的应用中。最初的应用是小电流的，不过技术已经进步，超级电容器现在已经用于消费类和非消费类市场上多种中到大功率的应用。超级电容器与电池相比有很多固有的优点，如可供应更高的峰值功率、更长的周期寿命以及更小的外形尺寸。不过，产品设计师采用超级电容器时面对很多问题，例如要容量平衡以及超级电容器可能出现的过压损坏。幸运的是，凌力尔特公司通过不断扩充创新的超级电容器充电器IC系列，已经解决了这些问题。LTC3226是一款基于充电泵的超级电容器充电器，该器件具无缝的电源通路控制、自动容量平衡、电压箝位、反向电流保护、各种工作模式、小电流消耗、以及高达2A的备份电流。LTC3226以小占板面积供应多种有用功能，从而减小了总体解决方法尺寸，实现了更紧凑和更简单的设计。
