能平衡串联电容电荷的存储器终结IC

　　作为目前最有趣的元件家族之一，高值电容器提供的额定范围是十分之几法拉至数十法拉，但是工作电压较低。例如，Maxwell公司 的PC10超级电容器占用的面积大约相当于一枚大尺寸邮票，厚度相当于四枚堆叠在一起的 25 美分硬币。PC10提供10法拉电容、2.5 A最大放电电流额定值、18 ESR(等效串联电阻)。但是，它的额定工作电压仅为2.5 V。
为了适应大于2.5伏的电源电压，可以把两个电容器串联，从而使可用电容量减半，使总电压额定值增倍。但是，由于漏电流和电容量的差异，电容器的公共连接处的电压可能有所变化，设计方案必须确保任何一个电容器的最高电压额定值都未被超过。如果串联电容器的充电电流和放电电流较小，则可在两个电容器的两端连接等值的电荷平衡电阻器。但是，对于能提供数安培电流的法拉范围内的电容器，则需要更有效的方法。
电容器两端的电压理论上等于初始电压 V_C(0)加上电容量C与该电容器的电流（它随时间变化）乘积的积分：V_C(t)=V_C(0)+C∫I(t)dt。在一个双电容分配器中，通过两个电容器的电流相等，而回路方程（包含电源电压）则变为： V_SUPPLY=V_C1(0)+V_C2(0)+(C₁C₂)/(C₁+C₂)∫I(t)dt。在充电到5V电源电压期间，C₁和C₂之间的公差差异或任何一个电容器的残留电压都会导致其中一个电容器接端的电压超过2.5 V，而另一个则降至低于2.5 V。

图1，这个简单电路只需要一块IC就能平衡两个串联的低压高值电容器的电荷，并把它们的公共接点保持在电源电压的一半。

图2，有源平衡电路内的示波器波形展现了电源线电压（顶部迹线）、两个电容器之间接点的中点电压（中部迹线），以及充电/放电电流（底部迹线，比例是1安培/段）。这些迹线反映了达到5V的1A充电间隔，然后是达到0V的 1A放电间隔。充电间隔和放电间隔开始时的波形阶梯是由电容器内部ESR造成的。

为了克服这种不需要的错配，LP2996 DDR 端接稳压器，即 IC₁，从两个电容器汲取或得到电流，并有效地把它们的电压保持为电源电压的一半（图 1）。LP2996 为 DDR-SDRAM 器件提供有效端接，并能汲取或得到大量电流。它的数据表中的术语和标签反映了它对存储器的预定支持作用。LP2996 的 B 类输出，即VTT，驱动电容器的公共连接，从而有效地把接点保持在V_DDQ/2，并只在这些电容器失衡时才变为有效状态。处于平衡状态时，LP2996不浪费充电电流，因此能高效率地工作。该器件的数据表规定，LP2996的失衡误差等于 V_TT偏移值，即距离V_DDQ/2设定点20毫伏范围内。图2展现了1 A电流步长的充电波形和放电波形。
有效平衡电路的确会带来某些局限。利用额定值为5V和1A的电源，两个电容器最长在25秒内达到电荷平衡：充电时间=5F5V/1A。初始充电间隔克服了C₁或C₂上的任何初始预偏置电荷。进出LP2996的稳定状态电流相当于流过电容器的大电流的一小部分，刚好够用来克服两个电容器中的任何公差失配。LP2996包括过热关机保护，但是，任何一个电容器的瞬时短路都可能发生得太快，无法激活保护电路。
对散热的考虑决定了电容器的最大电流处理能力，PC10的数据表降低了额定电流，使它低于2.5 A。如果电源提供的充电电流超过 2 A，则可把1Ω限流电阻器与两个电容器串联。
在向电路供应的电力中断时，LP2996会施加低于 1mA的自放电电流，它表示进入开路的电容器“电池”放电速度是 5000 秒/伏。可以向 LP2996 的关机输入端施加外部控制信号，来降低它的自放电电流。在电力中断时，两个电容器串能在5V~2V电压范围内，供应1A恒流负载，持续15秒。可以并联更多的电容器对，来提供更多外部电流，但是，根据电容失配、初始偏置电压、电流需求等情况，可能需要更多的 LP2996 来保持电荷平衡。