超級電容器充電器平衡有關探討

背景

　　凌力爾特公司 （Linear Technology Corporation） 推出兩節(jié)超級電容器充電器系列的最新產(chǎn)品 LTC4425，該器件采用具熱量限制的線性恒定電流 - 恒定電壓 （CC-CV） 架構，從鋰離子/聚合物電池、USB 端口或其它 2.7V 至 5.5V 的電流受限電源，將兩節(jié)串聯(lián)的超級電容器充電至可編程的輸出電壓。

　　LTC4425 具有兩種運行模式：充電電流曲線 （典型） 模式和 LDO 模式。在充電電流曲線模式時，該器件將超級電容組的頂端充電至輸入電壓 VIN，所用的充電電流與輸入至輸出電壓之差的變化相反，以防止產(chǎn)生過大的熱量。LDO 模式將超級電容器組充電至外部設定的輸出電壓，所用充電電流是固定的，而且也是外部可編程的。充電電流可用電阻器編程至高達 2A （峰值為 3A），而且每個電容器都通過內部并聯(lián) （可選 2.45V/2.7V） 而受到保護，以防過壓。LTC4425 內置的電流受限理想二極管具有極低的 50mΩ 導通電阻，以防止 VIN 向后驅動，從而使該器件非常適用于多種大峰值功率電池和 USB 供電的設備、工業(yè) PDA、便攜式儀表和監(jiān)視設備、功率計、超級電容器備份電路以及 PC 卡/USB 調制解調器。

表 1：超級電容器、普通電容器及電池的比較

　　超級電容器（supercapacitor,ultracapacitor），又叫雙電層電容器（Electrical Doule-Layer Capacitor）、電化學電容器（Electrochemcial Capacitor, EC）， 黃金電容、法拉電容，通過極化電解質來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質中的兩個無反應活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。

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(lián)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(jié)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(jié)超級電容器充電器是為用 3.3V、3 節(jié) AA 或鋰離子/聚合物電池實現(xiàn)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(jīng)使市場擴大了，產(chǎn)生了很多未必局限在消費電子產(chǎn)品領域的中到較大電流的應用。主要應用包括固態(tài)盤驅動器和海量存儲備份系統(tǒng)、工業(yè) PDA 和便利易用的終端等大電流便攜式電子設備、數(shù)據(jù)記錄儀、儀表、醫(yī)療設備、以及各種“謹守最后一刻”的工業(yè)應用 。

　　超級電容器充電器的設計挑戰(zhàn)

　　超級電容器有很多優(yōu)點，不過，當兩個或更多電容器串聯(lián)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(fā)，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(huán)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(lián)連接的超級電容器達到容量平衡，可確保每節(jié)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(jié)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。但是如果串聯(lián)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(jié)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實現(xiàn)超級電容器的容量平衡。然而，鎮(zhèn)流電阻器的值越低，靜態(tài)電流越高，電池運行時間越短，顯然的好處是節(jié)省了費用。不過，這種解決方案實現(xiàn)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(jié)串聯(lián)超級電容器。因此，凌力爾特公司開發(fā)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(tài)電流。

　　一種簡單的解決方案

　　LTC4425 的自動能量平衡功能保持兩節(jié)超級電容器有相等的電壓，從而無需用于平衡的電阻器，同時保護每節(jié)超級電容器免受過壓損壞，并最大限度地減少電容器的漏電流。當輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時，該 IC 以非常低的 20uA 靜態(tài)電流運行，而在停機時僅從 VIN 或 VOUT （視哪一個電壓較高） 吸取 2uA 電流?；境潆婋娐穬H需要 6 個外部組件，而且是高度緊湊，采用占板面積為 9mm2 的纖巧封裝以及有引線的封裝。其它關鍵特點包括一個 VIN 電源故障指示器以及通過 PROG 引腳連續(xù)監(jiān)視 VIN 至 VOUT 的電流。其它保護功能包括電流和熱量限制，該限制可在溫度過高的情況下降低充電電流。

　　LTC4425 是凌力爾特的兩節(jié)超級電容器充電器系列的新器件，用于在便攜式和數(shù)據(jù)存儲應用中滿足大峰值功率、數(shù)據(jù)備份和“謹守最后一刻” 應用的需求。該器件采用具熱量限制的線性恒定電流、恒定電壓架構，用鋰離子/聚合物電池、USB 端口或 2.7V 至 5.5V 電流受限電源將兩節(jié)串聯(lián)的超級電容器充電至可編程的輸出電壓。LTC4425 有兩種工作模式：充電電流曲線 （通常） 模式和 LDO 模式。充電電流可用電阻器編程至 2A （3A 峰值），而且每個電容器都受到內部分路器保護以免過壓損壞 。該 IC 內置的電流受限的理想二極管具有極低的 50mΩ 導通電阻，以防止 VIN 向后驅動，并使該器件適合于多種大峰值功率電池及 USB 供電設備、工業(yè) PDA、便攜式儀表和監(jiān)視設備、功率計、超級電容器備份電路以及 PC 卡/USB 調制解調器。

　　LTC4425 采用兩種緊湊、耐熱增強型封裝：12 引線、扁平 （高度僅為 0.75mm） 3mm x 3mm DFN 封裝；12 引線 MSOP 封裝。該器件在 -40°C 至 125°C 結溫范圍內工作。

圖 1：LTC4425 方框圖/應用電路LDO 模式