超级电容器充电器平衡有关探讨

　　LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

在 LDO 模式时，通过 FB 引脚用一个外部电阻分压器网络设定输出电压 （VOUT），该分压器网络由 RFB1 和 RFB2 组成，而充电电流通过 PROG 引脚用一个外部电阻器 RPROG 设定。参见图 2 中所示的方框图。充电器控制电路由一个恒定电流放大器和一个恒定电压放大器组成。当启动该 IC 以给一个已放电的超级电容器组充电时，最初恒定电流放大器起控制作用，并伺服 PROG 引脚电压至 1V。通过 PROG 电阻器的电流乘以约为 1,000 的检测 MOSFET （MPSNS） 和功率 MOSFET （MPSW） 之比，以给超级电容器组充电。当输出电压 VOUT 接近设定值时，恒定电压放大器接管控制权，而且如果有必要则减少充电电流，以保持 FB 引脚电压等于一个 1.2V 的内部基准电压。因为 PROG 引脚电流始终约为充电电流的 1/1,000，所以 PROG 引脚电压持续指示实际充电电流，即使在恒定电压放大器起控制作用时也是如此。

　　充电电流曲线 （通常） 模式

　　当 FB 引脚短路到输入电压 VIN 时，LTC4425 进入充电电流曲线模式。在这种工作模式时，恒定电压放大器从内部禁止，但是充电电流仍然通过外部 RPROG 电阻器设定。如果输入至输出电压差 （VIN – VOUT） 超过 750mV，那么充电器提供的电流是设定充电电流的 1/10， 以限制芯片内的功耗。当 VOUT 进一步上升时，充电器 FET 两端的电压变得太低，以至于无法支持满充电电流。因此充电电流逐步降低，充电器 FET 进入三极管 （符合欧姆定律的） 工作区 （参见图 3）。既然充电器 FET RDS（ON） 近似为 50mΩ，那么在设定充电电流为 2A 时，FET 将进入符合欧姆定律欧姆的区，且当 VOUT 与 VIN 相差约100mV 以内时，充电电流将开始下降。

　　电压箝位电路

　　LTC4425 配备的电路可将超级电容器组中两个超级电容器两端的电压限制到最高可允许电压 VCLAMP。有两个通过 SEL 引脚可选的 VCLAMP 预置电压：2.45V 或 2.7V。就较低的 2.45V VCLAMP 电压而言，SEL 引脚应该设定为逻辑低电平，而对于较高的 2.7V VCLAMP 电压，该引脚则应设为逻辑高电平。类似地，如果顶端电容器两端的电压 （VTOP） 先达到 VCLAMP，那么 PMOS 并联晶体管就接通，并开始从顶端的电容器向底端的电容器泄放电荷。

　　当任一超级电容器两端的电压达到与 VCLAMP 相差 50mV 以内时，互导放大器就开始线性地降低充电电流。到任一并联器件接通时，充电电流降至设定值的 1/10，而且只要该并联器件接通，就保持这个值不变。这是为了防止并联器件被过大的热量损坏。控制并联器件的比较器有 50mV 的迟滞，这意味着，当任一电容器两端的电压降低 50mV 时，并联器件断开，并以满充电电流恢复正常充电，除非受到另一个控制充电器 FET 栅极放大器的限制。如果两个电容器都超过它们的最大可允许电压 VCLAMP，那么主充电器 FET 完全关断，而且两个并联器件都接通。两个并联器件实际上是电流反射镜，保证分走比通过充电器 FET 的电流更大的电流。

　　漏电流平衡电路

　　LTC4425 还配备了一个内部漏电流平衡放大器 （LBA），该放大器使中点 （即 VMID 引脚） 电压准确地等于输出电压 VOUT 的一半。由于其受限的 1mA 供应和吸收能力，它被设计成用来处理由漏电流引起的超级电容器的轻微失配，而不是用来纠正由缺陷引起的任何严重失配。只要有输入电压存在，平衡器就工作。有了该内部平衡器，就无需外部平衡电阻器了。

　　表 2 比较了凌力尔特超级电容器充电器系列的器件。

　　结论

　　目前，超级电容器正用于一度由电池主导的应用中。最初的应用是小电流，不过技术已经进步，超级电容器现在已经用于消费类和非消费类市场上多种中到大功率的应用。超级电容器与电池相比有很多固有的优点，如可提供较高的峰值功率、较长的周期寿命以及较小的外形尺寸。不过，采用超级电容器的产品设计师面临很多问题，如需要容量平衡以及潜在的超级电容器过压损坏。