双向超级电容器充电器集成了备份和平衡功能

本文作者：

凌力尔特公司

电源产品部

波士顿设计中心总监 Sam Nork

高级产品市场工程师 Steve Knoth

科学专家 John Bazinet

背景信息

超级电容器 (又称为 SCAP、双层电容器等) 不仅仅是电容非常大的电容器。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提供更高的能量密度和更大的电容。随着生产超级电容器的成本持续下降，同时市场逐步了解超级电容器的功能，超级电容器正在传统电容器和电池之间开拓出一个日益增长且有利可图的市场。此外，尽管对待超级电容器需要某种程度上的"小心维护"，但是在那些要求高电流 / 短持续时间后备供电的数据存储应用中，它们可为电池起到增补作用 (作为一种可降低主电源所承受之应力从而延长其寿命的互补电源)，甚至取代电池。再者，超级电容器还可用在需要大电流突发或短暂电池备份的各种高峰值功率和便携式应用中，例如 UPS (不间断电源) 系统。与电池相比，超级电容器以更小的外形尺寸提供峰值功率更大的突发，在更宽的工作温度范围内提供更长的充电周期寿命。通过降低电容器的 Top-Off 电压和避免高温 (>50°C)，可以最大限度延长超级电容器的寿命。参见图 1 和表 1 以了解超级电容器的能量密度以及与其他形式电源的比较。

图 1：存储组件的能量密度和功率密度

表 1：超级电容器与电容器及电池的比较

超级电容器与电池比较总结：

• 电池：
  • 能量密度高
  • 合理的功率密度
  • 在低温时 ESR 高
     
• 超级电容器：
  • 合理的能量密度
  • 功率密度高
  • 低 ESR  ―  甚至在低温时 (–20°C 与 25°C 相比，提高约 2 倍)

• 超级电容器限制：

• 最高终止电压限制到 2.5V 或 2.75V
• 插入浪涌电流太大
• 在保持应用中无电流反向保护

• 串联超级电容器优势：
  • 允许更好地利用能量 E = 1/2 CV²
  • 简化"濒临崩溃"/ 备份电路
  • 对于 3.3V 备份采用升压而不是降压
  • 适合大功率备份、工业温度范围
• 串联超级电容器的潜在问题：
• SCAP 可能有容量失配问题
• SCAP 泄漏失配可能随时间变化引起过压问题  ─  电池需要持续平衡
• SCAP 电容和 ESR 随时间变化下降，而且不总是以同样的速率下降
• SCAP 退化随过压和高温而加速

超级电容器设计困境

超级电容器有很多优势，然而在给串联的能量存储器件充电时，最终产品设计师可能要面对诸如电池