中心議題：
- 超級(jí)電容器、電容器和電池的比較
- 超級(jí)電容器的限制
- 超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
- 介紹一種簡(jiǎn)單的超級(jí)電容器解決方案
解決方案：
- 凌力爾特的兩節(jié)超級(jí)電容器充電器系列的最新產(chǎn)品LTC3226解決方案
超級(jí)電容器背景
超級(jí)電容器一直用于常規(guī)電容器和電池之間的專門市場(chǎng)，隨著更多新應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)，這一專門市場(chǎng)也在不斷增長(zhǎng)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用中，超級(jí)電容器正在取代電池，這類應(yīng)用由于突然斷接問(wèn)題，需要中到大電流 / 短持續(xù)時(shí)間的備份電源和電池備份。具體應(yīng)用包括 3.3V 內(nèi)存?zhèn)浞莨虘B(tài)硬盤 (SSD)、電池供電的便攜式工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)警報(bào)器以及智能功率計(jì)。
與電池相比，超級(jí)電容器能提供更大的峰值功率，具有更小的外形尺寸，在更寬的工作溫度范圍內(nèi)具有更長(zhǎng)的充電周期壽命，還具有更低的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，可提供更高的功率密度。與標(biāo)準(zhǔn)陶瓷、鉭或電解質(zhì)電容器相比，超級(jí)電容器以類似的外形尺寸和重量，提供更高的能量密度。通過(guò)降低超級(jí)電容器的 Top-Off 電壓，并避開高溫 (>50°C)，可以最大限度地延長(zhǎng)超級(jí)電容器的壽命。下表 1 比較了超級(jí)電容器、電容器和電池的關(guān)鍵特點(diǎn)。
表 1：超級(jí)電容器、電容器和電池的比較
總結(jié)：超級(jí)電容器與電池的比較
• 電池：
• 高能量密度
• 中等的功率密度
• 溫度較低時(shí)具很高的 ESR
超級(jí)電容器：
• 中等的能量密度
• 高的功率密度
• 低 ESR ── 即使在低溫情況 (-20°C 與 25°C 相比，約增大 2 倍)
超級(jí)電容器的限制：
• 每節(jié)的最高電壓限制為 2.5V 或 2.75V
• 在疊置應(yīng)用中，必須補(bǔ)償漏電流之差
• 在高充電電壓和高溫時(shí)，壽命迅速縮短
較早一代的兩節(jié)超級(jí)電容器充電器設(shè)計(jì)是為用于從 3.3V、3xAA 或鋰離子 / 聚合物電池以低電流充電。然而，超級(jí)電容器技術(shù)的改進(jìn)使市場(chǎng)得以擴(kuò)大，因此出現(xiàn)了中到大電流應(yīng)用機(jī)會(huì)，這類應(yīng)用未必限定在消費(fèi)類產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)。主要應(yīng)用包括固態(tài)硬盤和海量存儲(chǔ)備份系統(tǒng)、工業(yè)用 PDA 和手持式終端等便攜式大電流電子設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄儀、儀表、醫(yī)療設(shè)備以及各種各樣“瀕臨電源崩潰”的工業(yè)應(yīng)用 (例如安全設(shè)備和警報(bào)系統(tǒng))。其他消費(fèi)類應(yīng)用包括那些具大功率突發(fā)的應(yīng)用，例如相機(jī)中的 LED 閃光燈、PCMCIA 卡和 GPRS / GSM 收發(fā)器、以及便攜式設(shè)備中的硬盤驅(qū)動(dòng)器 (HDD)。
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超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
超級(jí)電容器有很多優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)，當(dāng)兩個(gè)或更多電容器串聯(lián)疊置使用時(shí)，就給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了各種問(wèn)題，例如容量平衡、充電時(shí)電容過(guò)壓損壞、過(guò)度吸取電流、以及大的解決方案占板面積。如果頻繁需要大的突發(fā)峰值功率，那么也許需要較大的充電電流。此外，很多充電電源可能是電流受限的，例如，在電池緩沖器應(yīng)用或在 USB / PCCARD 環(huán)境中。就空間受限和較大功率的便攜式電子設(shè)備而言，能夠解決這些問(wèn)題是至關(guān)重要的。
通過(guò) IC 的反向傳導(dǎo)一般會(huì)引起災(zāi)難性事件。諸如串聯(lián)整流二極管等外部解決辦法效率不是很高，因?yàn)閴航岛艽?。肖特基二極管的正向壓降較小，因此可實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率，但是比常規(guī)二極管昂貴。另一方面，場(chǎng)效應(yīng)管 (FET) 提供了低導(dǎo)通電阻和極低的損耗。內(nèi)部的 FET 控制電源通路 (PowerPath™) 電路是解決這個(gè)問(wèn)題的好辦法，可避免可能導(dǎo)致?lián)p壞的結(jié)果。倘若輸入突然降至低于輸出，那么憑借電源通路控制，這類 IC 的控制器可以快速?gòu)氐椎財(cái)嚅_內(nèi)部 FET，以防止發(fā)生從輸出返回到輸入電源的反向傳導(dǎo)。
容量平衡的串聯(lián)超級(jí)電容器可確保每節(jié)電容上的電壓都大約相等，而如果超級(jí)電容器中容量不平衡，就可能導(dǎo)致過(guò)壓損壞。就小電流應(yīng)用而言，具外部電路以及為每節(jié)電容器提供一個(gè)平衡電阻器的充電泵是解決這個(gè)問(wèn)題的低成本方案，平衡電阻器的值主要取決于電容器的漏電流，原因如后面所述。為了限制平衡電阻器引起的漏電流對(duì)超級(jí)電容器能量存儲(chǔ)的影響，設(shè)計(jì)師可以選擇使用電流很低的有源平衡電路。容量失配的另一個(gè)來(lái)源是漏電流之差。電容器中的漏電流開始時(shí)相當(dāng)大，然后隨著時(shí)間推移衰減到較小的值。不過(guò)，如果串聯(lián)電容器的漏電流之間是失配的，那么某些電容器再充電時(shí)可能會(huì)過(guò)壓，除非設(shè)計(jì)師選擇的平衡電阻器能在每節(jié)電容器上提供比電容器漏電流大得多的負(fù)載電流。不過(guò)，平衡電阻器引入了不想要的電流分量和永久性的放電電流，這給應(yīng)用電路增加了負(fù)擔(dān)。如果以大電流對(duì)失配的電容器充電，那么平衡電阻器也不對(duì)各節(jié)電容器提供過(guò)壓保護(hù)。
就小到中功率應(yīng)用而言，解決超級(jí)電容器充電問(wèn)題的另一種低成本 (但復(fù)雜的) 方法是使用一個(gè)限流開關(guān)加上一些分立式組件和一些外部無(wú)源組件。在這種方法中，限流開關(guān)提供充電電流和限制，而電壓基準(zhǔn)和比較器 IC 則提供電壓箝位，最后，一個(gè)運(yùn)算放大器 (吸收 / 提供) 和平衡電阻器實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的容量平衡。然而，鎮(zhèn)流電阻器的值越小，靜態(tài)電流就越大，電池運(yùn)行時(shí)間就越短；當(dāng)然，其顯而易見的好處是節(jié)省了成本。不過(guò)，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常笨重，而且性能不高。
任何可高效地滿足上述小到中電流超級(jí)電容器充電器 IC 設(shè)計(jì)限制的解決方案都會(huì)包括一個(gè)面向兩節(jié)串聯(lián)超級(jí)電容器和基于充電泵的充電器以及自動(dòng)容量平衡和電壓箝位。凌力爾特已經(jīng)為這類應(yīng)用開發(fā)出了一個(gè)簡(jiǎn)單但尖端的單片超級(jí)電容器充電器 IC，該 IC 不需要電感器，也不需要平衡電阻器，提供了反向隔離，并有多種工作模式，而且靜態(tài)電流還很低。
一種簡(jiǎn)單的超級(jí)電容器解決方案
LTC3226 是凌力爾特兩節(jié)超級(jí)電容器充電器系列的最新產(chǎn)品。該器件是一款無(wú)電感器的超級(jí)電容器充電器，具有備份的電源通路控制器，適用于在需要短期備份電源的應(yīng)用中使用的鋰離子或其他低壓系統(tǒng)軌。該器件具恒定輸入電流，采用低噪聲雙模式 (1x / 2x) 充電泵架構(gòu)，用 2.5V 至 5.5V 的輸入電源給兩節(jié)串聯(lián)的超級(jí)電容器充電，并充電至 2.5V 至 5.3V 的可編程電容器充電電壓。充電器的輸入電流可用電阻器編程，高達(dá) 315mA。該器件的自動(dòng)容量平衡和電壓箝位功能可保持兩節(jié)電池上的電壓相等，因而無(wú)需平衡電阻器。這保護(hù)了每節(jié)超級(jí)電容器免受過(guò)壓損壞 (否則電容或漏電流失配可能引起這種過(guò)壓損壞)，同時(shí)最大限度地降低了電容器上的漏電流。
LTC3226 有兩種工作模式：正常模式和備份模式。工作模式由可編程電源故障 (PFI) 比較器決定。在正常模式中 (PFI 為高電平)，功率通過(guò)一個(gè)低損耗外部 FET 理想二極管從 VIN 輸送至 VOUT，而且充電泵保持接通狀態(tài)以對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行 Top-off 充電。在備份模式 (PFI 為低電平)，充電泵關(guān)斷，內(nèi)部 LDO 接通，以用超級(jí)電容器存儲(chǔ)的電荷提供 VOUT 負(fù)載電流，同時(shí)外部理想二極管防止反向電流流進(jìn) VIN。超級(jí)電容器通過(guò)內(nèi)部 LDO 提供的備份電流可高達(dá) 2A。
當(dāng)輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，LTC3226 用非常低的 55uA 靜態(tài)電流工作。該 IC 采用纖巧的 3mm x 3mm QFN 封裝，基本充電電路需要很少的外部組件，占用空間也很小。該器件的 900kHz 高工作頻率可減小外部組件尺寸。內(nèi)部限流和熱停機(jī)電路允許該器件承受從 PROG、VOUT 或 CPO 引腳到地的持續(xù)短路而不受損壞。其他特點(diǎn)包括 CAP PGOOD 和 VIN PFO (電源故障) 輸出以及用于系統(tǒng)內(nèi)務(wù)處理的 VOUT RST 輸出。
LTC3226 采用緊湊的 16 引線、扁平 (0.75mm) 3mm x 3mm QFN 封裝，在 -40?C 至 125?C 的溫度范圍內(nèi)工作。
圖 1：LTC3226 的方框圖 / 應(yīng)用
要構(gòu)成一個(gè)可與 LTC3226 相比的解決方案，需要非常復(fù)雜地組合多個(gè) IC：一個(gè)用于超級(jí)電容器充電的降壓 / 升壓型穩(wěn)壓器、一個(gè)用于備份電源通路的 2A LDO、一個(gè) 4 通道比較器以及用于外部“理想二極管”加監(jiān)視功能的背對(duì)背 FET，還有一個(gè)運(yùn)算放大器和各種不同的分立式組件，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)性分流和小電流平衡。另外，用戶還可以選擇一種“低價(jià)”方法，該方法僅對(duì)超級(jí)電容器充電，并提供備份控制 (不用兩個(gè)比較器和運(yùn)算放大器)，不過(guò)這種方法沒(méi)有充電電流限制、小電流平衡、電容器保護(hù)或電壓監(jiān)視功能。與更加昂貴的分立式解決方案相比，這種廉價(jià)方法可以用不那么昂貴的低值電阻器取代比較昂貴的高值電阻器和運(yùn)算放大器的組合，但這種低值電阻器消耗大量靜態(tài)電流，而且沒(méi)有為超級(jí)電容器提供過(guò)壓保護(hù) (箝位)。
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電源通路控制和理想二極管
LTC3226 含有一個(gè)理想二極管控制器，該控制器通過(guò) GATE 引腳控制輸入 VIN 和輸出 VOUT 之間連接的外部 PFET 的柵極。參見圖 2 以了解詳細(xì)信息。在正常工作條件下，這個(gè)外部 FET 構(gòu)成了從輸入到輸出的主電源通路。就非常輕的負(fù)載而言，該控制器在輸入和輸出電壓之間的 FET 上保持了 15mV 的增量。倘若 VIN 突然降至低于 VOUT，那么該控制器就快速?gòu)氐钻P(guān)斷 FET，以防止從 VOUT 返回輸入電源的任何反向傳導(dǎo)。
圖 2：LTC3226 的方框圖
工作模式
LTC3226 有兩種工作模式：正常模式和備份模式。如果 VIN 高于外部可編程的 PFI 門限電壓，那么該器件就處于正常模式，在這種模式時(shí)，功率通過(guò)外部 FET 從 VIN 流到 VOUT，且內(nèi)部充電泵保持接通，直至達(dá)到超級(jí)電容器組的 Top-Off 電壓為止。如果 VIN 低于該 PFI 門限，那么該器件就處于備份模式。在這種模式時(shí)，內(nèi)部充電泵關(guān)斷，外部 FET 關(guān)斷，但 LDO 接通，以用存儲(chǔ)的電荷提供負(fù)載電流。參見圖 3 以了解詳細(xì)信息。
圖 3：LTC3226 從正常模式切換到備份模式時(shí)的瞬態(tài)波形
電壓箝位電路
LTC3226 充電泵配備了用于將任意超級(jí)電容器兩端的電壓限制為一個(gè) 2.65V 的最大可容許預(yù)設(shè)電壓的電路。如果頂部電容器兩端的電壓 (VMID-VCPO) 在 CPO 引腳達(dá)到目標(biāo)電壓之前達(dá)到了 2.65V，那么充電泵就通過(guò) CPO 引腳停止對(duì)電容器組中頂部電容器充電，切換到 1x 模式，并通過(guò) VMID 引腳直接向底部的電容器提供電荷，直至電容器組的電壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果底部電容器兩端的電壓在電容器組達(dá)到目標(biāo)值之前達(dá)到 2.65V，那么充電泵就通過(guò) CPO 引腳繼續(xù)向電容器組中頂部的電容器提供電荷，而且并聯(lián)穩(wěn)壓器接通，以泄放底部電容器的電荷，防止 VMID 引腳電壓進(jìn)一步上升。并聯(lián)穩(wěn)壓器能對(duì)約為 315mA (在 1x 模式) 的最大可允許充電電流分流。倘若兩個(gè)電容器都超過(guò)了 2.65V，那么充電泵就關(guān)斷大多數(shù)電路，進(jìn)入休眠模式。
漏電流平衡電路
LTC3226 備有一個(gè)內(nèi)部漏電平衡放大器，該放大器將 VMID 引腳電壓維持在剛好等于 CPO 引腳電壓一半的數(shù)值上。不過(guò)，該放大器的提供電流 (約為 4.5mA) 和吸收電流 (約為 5.5mA) 能力有限。這個(gè)放大器用來(lái)應(yīng)對(duì)由漏電流引起的超級(jí)電容器的微小失配，由于有缺陷，因此不用來(lái)矯正大的失配。只要輸入電源電壓高于 PFI 門限，平衡器就工作。該內(nèi)部平衡器無(wú)需外部平衡電阻器。
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表 2 顯示了對(duì)凌力爾特超級(jí)電容器充電器系列各款器件的比較。
表 2：凌力爾特超級(jí)電容器充電器的比較
結(jié)論
目前，超級(jí)電容器正用于電池一度是標(biāo)準(zhǔn)配置的應(yīng)用中。最初的應(yīng)用是小電流的，不過(guò)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)步，超級(jí)電容器現(xiàn)在已經(jīng)用于消費(fèi)類和非消費(fèi)類市場(chǎng)上多種中到大功率的應(yīng)用。超級(jí)電容器與電池相比有很多固有的優(yōu)點(diǎn)，如可提供更高的峰值功率、更長(zhǎng)的周期壽命以及更小的外形尺寸。不過(guò)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師采用超級(jí)電容器時(shí)面臨很多問(wèn)題，例如需要容量平衡以及超級(jí)電容器可能出現(xiàn)的過(guò)壓損壞。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司通過(guò)不斷擴(kuò)充創(chuàng)新的超級(jí)電容器充電器 IC 系列，已經(jīng)解決了這些問(wèn)題。LTC3226 是一款基于充電泵的超級(jí)電容器充電器，該器件具無(wú)縫的電源通路控制、自動(dòng)容量平衡、電壓箝位、反向電流保護(hù)、各種工作模式、小電流消耗、以及高達(dá) 2A 的備份電流。LTC3226 以小占板面積提供多種有用功能，從而減小了總體解決方案尺寸，實(shí)現(xiàn)了更緊湊和更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。
