2A超级电容器充电器平衡和保护便携式应用中的超级

背景

超级电容器在传统电容器和电池之间开拓了一个缝隙市场。它们正在取代数据存储应用中的电池，这类应用需要大电流/持续时间短的备份电源，超级电容器也正用于各种高峰值功率应用，而这类应用需要大的电流突发或补充性电池备份。与电池相比，超级电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，而且它们外形尺寸小、在更宽的工作温度范围内有更长的充电周期寿命且具有更低的 ESR。与标准陶瓷、钽或电解质电容器相比，超级电容器的外形尺寸和重量与其类似，但提供更高的能量密度。通过降低超级电容器的 Top-Off 电压，并避免高温 (>50°C)，可最大限度地延长电容器的寿命。

表 1：超级电容器、普通电容器及电池的比较

小结 － 超级电容器与电池的比较：

• 电池：

• 高能量密度

• 适度的功率密度

• 在低温时具有大的等效串联电阻 (ESR)

• 超级电容器：

• 适度的能量密度

• 高功率密度

• 低 ESR (甚至在低温时)

(从 -20°C 增至 25°C 时约提高 2 倍)

• 超级电容器的限制：

• 每节最大值限制为 2.5V 或 2.75V

• 在叠置式应用中必须补偿漏电流之差

• 在大的充电电压和高温时，寿命缩短得更快

较早一代两节超级电容器充电器是为用 3.3V、3 节 AA 或锂离子/聚合物电池实现小电流充电而设计的，因为这些 IC 采用升压型拓扑。不过，超级电容器技术的改进已经使市场扩大了，产生了很多未必局限在消费电子产品领域的中到较大电流的应用。主要应用包括固态盘驱动器和海量存储备份系统、工业 PDA 和便利易用的终端等大电流便携式电子设备、数据记录仪、仪表、医疗设备、以及各种“谨守最后一刻”的工业应用 (例如: 保安设备和报警系统)。其他消费类电子产品应用包括那些具大功率突发的应用，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)。

超级电容器充电器的设计挑战

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时，就给设计师带来了诸如容量平衡、充电时电容器过压损坏、吸取过大电流、大占板面积/解决方案等问题。如果需要频繁的大峰值功率突发，那么也许需要较大的充电电流。此外，很多充电电源也许是电流受限的，例如，在电池缓冲器应用中或在 USB/PCCARD 环境中。就空间受限、较大功率的便携式电子设备而言，应对这些情况至关重要。

使串联连接的超级电容器达到容量平衡，可确保每节电容器上的电压近似相等，而超级电容器如果缺乏容量平衡，可能会导致过压损坏。就小电流应用而言，充电泵采用给每节电容器配一个平衡电阻器的外部电路，这是一种不算昂贵而又可解决这个问题的办法。正如下面说明的那样，平衡电阻器的值将主要取决于电容器的漏电流。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，设计师还可以选择使用一个电流非常小的有源平衡电路。容量失配的另一个原因是漏电流不同。电容器的漏电流开始时相当高，然后随时间推移衰减到较低的值。但是如果串联电容器之间的漏电流失配，那么电容器可能一开始再充电就会过压，除非设计师选择可在每个电容器上提供比电容器漏电流本身大得多的负载电流的平衡电阻器。平衡电阻器导致不必要的成份和永久性放电电流，加重了应用电路的负担。如果失配的电容器以大电流充电，它们也不为每节电容器提供过压保护。

就中到较大功率应用而言，另一个可解决超级电容器充电问题而且不算昂贵的方法是，采用一个电流受限的开关加分立器件和外部无源组件。采用这种方法时，电流受限的开关提供了充电电流和电流限制，同时电压基准和比较器 IC 提供电压箝位，最后，具平衡电阻器的运放 (吸收/供应) 实现超级电容器的容量平衡。然而，镇流电阻器的值