双向超级电容器充电器集成了备份和平衡功能

容量平衡、充电时电池过压损坏、过大的电流消耗、解决方案占板面积很大而空间利用率又至关重要等问题。

串联电容器的容量平衡确保每节电池上的电压大致相当。超级电容器的容量不平衡可能导致过压损坏。每节电池配备一个平衡电阻器的外部电路是解决容量不平衡问题的一种办法。平衡电阻器的值将取决于超级电容器的工作温度及其充电 / 放电曲线。为了限制平衡电阻器引起的电流泄漏对超级电容器能量存储的影响，设计师还可以使用电流非常小的主动平衡电路。另一个容量失配的原因是泄漏电流不同。电容器的泄漏电流开始时很大，然后随着时间推移降至较低的值。不过，如果串联电池之间的泄漏电流失配，那么电池一开始再充电就可能过压，除非设计师用平衡电阻器消除泄漏电流。不过，平衡电阻器产生不想要的组件和负载电流，加重了应用电路负担。

超级电容器充电器 IC 设计挑战

在开始设计超级电容器充电方案时，设计师必须考虑的一些更棘手的问题是以下需求：

• 备份能力。超级存储电容器最终要提供存储的能量，以在主电源轨万一出故障时提供备份。因此，通常需要两个单独的电源转换器：第一个用来给超级电容器充电，第二个用来保持主电源轨吸取超级电容器中存储的能量。用单个转换器提供这两种功能是最理想的，但是，转换器必须双向工作，检测主电源何时缺失，并在备份和充电模式之间无缝转换，同时还要具备很宽的工作范围，以确保利用所有可用备份能量。
• 高效率和大充电电流。高效率、大电流降压-升压型超级电容器充电器 / 平衡器能够包括充分利用超级电容器优势所需的所有功能。而分立式解决方案，尽管可能，但是复杂、较大、效率较低、准确度较低。
• 高准确度和负载均分能力。具 ±2% 准确度的输入电流限制和输入负载均分使多个负载能够以最小降额 / 裕度均分同一电源的全部供电能力。这样的功能用分立式解决方案是无法实现的。
• 主动平衡。大多数超级电容器系统采用耗能 (电阻器) 平衡方法。主动平衡在电容器之间来回高效运送电荷，从而消除了功率损耗以及采用耗能方法所需的后续再充电周期。

本文所述解决这些问题的降压-升压型 IC 超级电容器充电解决方案需要具备以下所有性能特点：

• 提供备份电源，并给超级电容器充电
• 灵活性  ―  必须以升压或降压模式高效地工作
• 能够以可编程最高电容器电压执行主动充电平衡
• 提供大充电电流能力
• 具备准确的可编程平均输入电流限制
• 占板面积小的扁平解决方案
• 拥有先进的封装以提高热性能和空间利用效率

一种新型 IC 满足所有需求

LTC3110 是一款双向、输入电流可编程降压-升压型超级电容器充电器，具备面向一或两个串联超级电容器的主动充电平衡功能。其专有低噪声降压-升压型拓扑能够完成两个单独的开关稳压器的工作，从而减小了解决方案尺寸、成本和复杂性。LTC3110 以两种模式工作，备份和充电模式。在备份模式，该 IC 保持系统电压 V_SYS 为 1.71V 至 5.25V，由超级电容器存储的能量供电。此外，超级电容器存储输入 V_CAP 具备很宽的 5.5V 直至 0.5V 之实际工作范围。这确保几乎所有超级电容器储存的能量都能得到利用，从而延长了备份时间或者减小了存储电容器尺寸。在充电模式，当主电源系统有效时，LTC3110 可自主 (或通过用户命令) 和无缝地调转电源流动方向，利用稳定的系统电压实现超级电容器的充电和平衡。通过降压-升压型转换器，V_CAP 被高效充电至高于或低于 V_SYS，该器件还具备充电模式平均输入电流限制，该限制能够以 ±2% 的准确度设定为高达 2A，从而防止系统电源过载，同时最大限度缩短电容器再充电时间。参见图 2 所示典型应用电路。

图 2：LTC3110 典型应用电路

LTC3110 的主动充电平衡消除了外部耗能镇流电阻器的持续泄漏，从而甚至在电容器失配和再充电周期较不频繁时，也可确保平衡地运行和充电。可编程最大电容器电压调节功能主动地对串联电容器组中每个电容器上的电压进行平衡，并将其限制到 1/2 设定值，从而确保随电容器老化以及容量逐渐失配而可靠工作。R_DS(ON) 很低、栅极电荷很少的同步开关提供高效率转换，以最大限度缩短存储组件的充电时间。因此，LTC3110 非常适合给备份电源应用中的大型电容器安全地充电并提供保护，例如具电池 / 电容器备份的服务器和 RAID 系统以及 RF 系统。

LTC3110 的输入电流限制和最高电容器电压是电阻器可编程的。平均输入电流在 0.125A 至 2A 设定范围内是准确控制的。引脚可